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        CBL型裂解爐急冷鍋爐入口錐體的腐蝕與防護(hù)措施

        2021-11-01 08:23:10王欽明
        石油化工腐蝕與防護(hù) 2021年5期

        王欽明

        (中國(guó)石油遼陽石化分公司烯烴廠,遼寧 遼陽111003)

        二十世紀(jì)七十年代初某公司從法國(guó)成套引進(jìn)遼化乙烯裝置,1979年建成投產(chǎn),原設(shè)計(jì)聚合級(jí)乙烯產(chǎn)能72.8 kt/a,經(jīng)過改進(jìn),于2007年裝置設(shè)計(jì)乙烯產(chǎn)能由120 kt/a提高至200 kt/a。遼化乙烯裝置共有6臺(tái)裂解爐,其中2臺(tái)CBL型裂解爐位號(hào)分別為21F110和21F111,21F110爐為CBL-Ⅱ型裂解爐,乙烯產(chǎn)能40 kt/a。2019年為適應(yīng)原料輕質(zhì)化需要進(jìn)行改造,改造為HS-Ⅰ型裂解爐,改造后裂解爐加工能力保持不變,只是由原來加工液相進(jìn)料改為加工氣相進(jìn)料,改造范圍包括輻射段爐管、對(duì)流段管束以及其他附屬系統(tǒng),而原第一急冷鍋爐利舊,其使用時(shí)間已經(jīng)超過25 a;21F111爐為CBL-Ⅳ型裂解爐,乙烯產(chǎn)能60 kt/a,自建成投產(chǎn)后一直在用,未經(jīng)過改造更新,第一急冷鍋爐使用時(shí)間超過20 a。

        1 概 述

        CBL型裂解爐第一急冷鍋爐結(jié)構(gòu)為套管式,規(guī)格為φ245 mm×11 616 mm,屬Ⅲ類壓力容器,工作壓力:管程為0.2 MPa,殼程為12.5 MPa;工作溫度:管程為570~860 ℃,殼程為328 ℃;介質(zhì):管程為裂解氣,殼程為水和水汽。環(huán)形連接件的規(guī)格為φ245 mm×22 mm×90 mm(外徑×壁厚×長(zhǎng)度),材質(zhì)為15CrMo。入口帶叉錐體的規(guī)格為φ112 mm—245 mm×230 mm(小頭外徑—大頭外徑×長(zhǎng)度),材質(zhì)為Incoloy800。

        2019年6月,遼陽石化分公司烯烴廠乙烯裝置(以下簡(jiǎn)稱遼化乙烯)停產(chǎn)大檢修期間,對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行腐蝕檢查,在檢查過程中發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)2臺(tái)CBL型裂解爐輻射段出口、第一急冷鍋爐入口錐體蒸汽入口側(cè)有高溫氧化腐蝕現(xiàn)象。

        腐蝕檢查過程中發(fā)現(xiàn)21F111第一急冷鍋爐第1臺(tái)、第2臺(tái)鍋爐入口錐體蒸汽入口附近存在高溫氧化腐蝕,錐段高溫腐蝕處外表面存在氧化皮局部脫落現(xiàn)象,局部呈黑灰色,氧化皮脫落處存在減薄(如圖1所示)。第1臺(tái)鍋爐最小壁厚 22.4 mm,第2臺(tái)鍋爐腐蝕嚴(yán)重,存在氧化皮大量脫落現(xiàn)象,最小壁厚14.2 mm,而其他鍋爐入口錐體無腐蝕部位壁厚在24 mm左右。

        圖1 21F111入口錐體氧化腐蝕情況

        21F110第一急冷鍋爐第1—4臺(tái)鍋爐入口錐體均存在不同程度的高溫氧化現(xiàn)象,第2臺(tái)鍋爐入口錐體蒸汽入口附近筒體存在較嚴(yán)重高溫氧化腐蝕,高溫腐蝕處存在氧化皮脫落現(xiàn)象,如圖2所示。氧化皮脫落處壁厚18.0 mm,其他鍋爐入口錐體無腐蝕部位壁厚在22 mm左右。

        圖2 21F110入口錐體氧化腐蝕情況

        2 腐蝕原因探討

        2.1 高溫氧化腐蝕機(jī)理

        金屬在高溫下與其周圍環(huán)境中的氧發(fā)生反應(yīng)形成金屬的高溫氧化。高溫腐蝕并沒有嚴(yán)格的溫度界限,通常認(rèn)為當(dāng)金屬的工作溫度達(dá)到其熔點(diǎn)(絕對(duì)溫度)的30%~40%時(shí),就可認(rèn)為是高溫腐蝕環(huán)境。在高溫氣體中,金屬的氧化最初是化學(xué)反應(yīng),但膜的成長(zhǎng)過程則屬于電化學(xué)機(jī)理,因?yàn)榻饘俦砻婺ひ延蓺庀嘧優(yōu)榘雽?dǎo)體氧化膜。熔化或半熔化狀態(tài)的堿金屬以及氧化膜,會(huì)與再熱器、過熱器的合金鋼發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng),使壁厚減薄、應(yīng)力增大,引起管子產(chǎn)生蠕變,管壁進(jìn)一步減薄,最后導(dǎo)致爆管。氧化膜的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,有的是多層的。高溫腐蝕與溫度有關(guān),腐蝕從550~620 ℃時(shí)開始發(fā)生,在750 ℃時(shí)腐蝕速率最高[1]。除了氧外,CO2,H2O,SO2,H2S也可以引起高溫腐蝕,其中耐熱鋼的高溫腐蝕多數(shù)是由于蒸汽引起的。

        2.2 入口錐體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        21F110和21F111同為CBL型裂解爐,它們的急冷鍋爐入口錐體結(jié)構(gòu)十分相似,只是在尺寸上有所差別,并且兩臺(tái)裂解爐急冷鍋爐入口錐體腐蝕開裂情況相同,因此將21F110和21F111作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。

        急冷鍋爐入口錐體的結(jié)構(gòu)主要由入口帶叉錐體、蒸汽入口接頭、環(huán)形連接件和保護(hù)管組成,入口帶叉錐體、環(huán)形連接件和前連接件是通過焊接連接的;保護(hù)管和內(nèi)管之間沒有通過焊接、螺紋等方式連接,它們之間是相互接觸的,并且留有縫隙。這一結(jié)構(gòu)的主要作用是降低整個(gè)入口錐體的溫度,防止錐體金屬溫度過高而發(fā)生損壞。自輻射段來的840 ℃左右的裂解氣從錐體下方進(jìn)入錐體,840 ℃超過急冷鍋爐所耐受的最高溫度,因此需要通過入口錐體迅速降低錐體的溫度[2]。

        2.3 錐體損壞原因分析

        2.3.1 保護(hù)蒸汽流通不暢

        在檢修入口錐體時(shí),發(fā)現(xiàn)損壞的錐體有一個(gè)共同點(diǎn),錐體內(nèi)部有大量的結(jié)焦物、銹蝕物等,入口錐體上的蒸汽入口接頭堵塞。由于結(jié)焦物、銹蝕物的存在造成蒸汽管線或者錐體腔體內(nèi)堵塞不暢通,影響了蒸汽的流通,裂解氣傳遞過來的熱量不能及時(shí)帶走,進(jìn)而錐體超溫。錐體超溫后,材質(zhì)為15CrMo的環(huán)形連接件晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,鐵元素和空氣中的氧氣在高溫下發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng),層層剝離,造成入口錐體因高溫氧化腐蝕而損壞。

        2.3.2 保護(hù)蒸汽偏流

        根據(jù)入口錐體的結(jié)構(gòu)可以看出,正常情況下內(nèi)管與保護(hù)管之間的環(huán)形縫隙是均勻的,而且縫隙很小,通過限制保護(hù)蒸汽的流量,維持錐體腔體內(nèi)的壓力,通過保護(hù)蒸汽與錐體管壁接觸帶走熱量,從而保證錐體各部位溫度均勻,防止局部過熱。由于高溫、氧化、疲勞、沖刷等原因,會(huì)造成與內(nèi)管相配合的保護(hù)管發(fā)生變形或者破損,這時(shí)內(nèi)管與保護(hù)管之間的環(huán)形縫隙局部變大,導(dǎo)致蒸汽偏流,錐體內(nèi)部保護(hù)蒸汽的壓力便不能維持恒定,保護(hù)蒸汽與錐體管壁之間的接觸不充分,熱量不能被帶走,造成錐體局部過熱,進(jìn)一步加劇錐體變形,最終導(dǎo)致錐體因局部超溫而損壞。由于裂解爐運(yùn)行過程中爐管內(nèi)部結(jié)焦等原因,錐體的保護(hù)管向著裂解氣側(cè)會(huì)不同程度的結(jié)焦掛壁,結(jié)焦物為致密的炭層,這些結(jié)焦物附著在保護(hù)管壁上且不均勻,從而產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)管發(fā)生變形,錐體腔體內(nèi)保護(hù)蒸汽便會(huì)發(fā)生偏流,不能有效帶走錐體的熱量造成錐體局部過熱而損壞。

        2.3.3 保護(hù)蒸汽系統(tǒng)

        在系統(tǒng)運(yùn)行中,尤其是寒冷的冬季,因管線凍凝、帶液、泄漏等原因,造成保護(hù)蒸汽系統(tǒng)入口蒸汽短暫中斷,錐體腔體內(nèi)保護(hù)蒸汽壓力下降,保護(hù)管中的裂解氣便會(huì)進(jìn)入到腔體內(nèi),這時(shí)內(nèi)管與保護(hù)管之間的環(huán)形縫隙就可能被裂解氣中的結(jié)焦物堵塞或者部分堵塞。雖然蒸汽流通正常,但內(nèi)管與保護(hù)管之間的環(huán)形縫隙堵塞,蒸汽的流通通道發(fā)生改變,錐體腔體中部分位置的蒸汽并沒有流動(dòng),便會(huì)發(fā)生錐體局部超溫[3]。

        3 防護(hù)措施

        3.1 定期進(jìn)行在線溫度監(jiān)測(cè)

        定期對(duì)錐體進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè),只要錐體各部位溫度均勻,不超溫,沒有局部過熱點(diǎn),就說明錐體運(yùn)行狀態(tài)良好。對(duì)錐體溫度監(jiān)測(cè)可以采用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫,并做好記錄,便于數(shù)據(jù)積累與對(duì)比;也可以在光線暗的時(shí)候通過肉眼觀察錐體的顏色,正常情況在線錐體運(yùn)行時(shí)的顏色應(yīng)該是暗紅色,如果局部有超溫的話顏色會(huì)變亮。

        3.2 蒸汽系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)

        急冷鍋爐入口錐體的保護(hù)蒸汽系統(tǒng)非常重要,系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)直接影響錐體的使用狀態(tài)與壽命,因此一定要保證保護(hù)蒸汽系統(tǒng)運(yùn)行良好,裂解爐下線的時(shí)候,檢查蒸汽線斷口,管線是否堵塞或有異物,通入壓縮空氣或氮?dú)鈱?duì)保護(hù)蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行吹掃,急冷鍋爐內(nèi)管中介質(zhì)的溫度超過 550 ℃ 時(shí)嚴(yán)禁切斷入口錐體的保護(hù)蒸汽,因?yàn)檫@樣會(huì)造成錐體的保護(hù)管、折流管高溫氧化變形,造成錐體腔體內(nèi)蒸汽流通不均勻,最終致使整個(gè)錐體高溫氧化腐蝕而損壞。

        3.3 錐體檢修時(shí)的注意事項(xiàng)

        檢修時(shí)一定要注意保護(hù)管的安裝精度,確保保護(hù)管與內(nèi)管之間的環(huán)形間隙一致,偏差不大于0.5 mm。錐體外部不保溫,這樣可以有效地散熱,降低錐體溫度,延緩錐體氧化腐蝕,另外還便于日常對(duì)錐體溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。保證入口帶叉錐體排液孔的暢通,否則降溫過程中蒸汽凝液無法排放,積聚在錐體腔體內(nèi),導(dǎo)致錐體內(nèi)部積垢、結(jié)焦,影響保護(hù)蒸汽流通。

        4 結(jié) 語

        從急冷鍋爐入口錐體的結(jié)構(gòu)、原理上分析錐體高溫氧化腐蝕產(chǎn)生的原因,從而給出相應(yīng)的防護(hù)措施。急冷鍋爐入口錐體結(jié)構(gòu)特殊,運(yùn)行中不便于直接觀察到錐體內(nèi)部的運(yùn)行情況,應(yīng)采取間接的方式監(jiān)測(cè)急冷鍋爐入口錐體的運(yùn)行狀態(tài),保證裂解爐正常運(yùn)行,避免因錐體高溫氧化腐蝕損壞導(dǎo)致裂解氣外漏事故的發(fā)生。

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