催化裂化裝置油漿噴嘴磨損原因分析及改進(jìn)措施

潘從錦，艾里江，韓勝顯

中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003

催化裂化裝置油漿噴嘴磨損原因分析及改進(jìn)措施

潘從錦，艾里江，韓勝顯

中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆克拉瑪依 834003

某石化公司催化裂化裝置提升管油漿噴嘴頻繁發(fā)生磨損泄漏，給裝置的安全生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。從油漿噴嘴結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和油漿性質(zhì)等方面分析磨損原因，發(fā)現(xiàn)油漿中的催化劑等雜質(zhì)顆粒和噴嘴耐磨性不足是造成磨損的主要原因。根據(jù)原油漿噴嘴磨損原因分析采用了改進(jìn)型油漿噴嘴進(jìn)行更換，改進(jìn)措施如下：噴口堆焊硬質(zhì)合金；噴嘴外壁噴涂耐磨金屬層；雙保護(hù)套管中內(nèi)側(cè)保護(hù)套管做防催化劑渦流卷吸的擋板，外側(cè)保護(hù)套管安裝耐磨襯里。采取以上措施后，取得了良好的應(yīng)用效果。

油漿；噴嘴；磨損；分析；改進(jìn)

某石化公司催化裂化裝置對(duì)原料裂化反應(yīng)后的油漿采用部分回?zé)挼奶幚矸绞?，?lái)提高裝置的原料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品收率。油漿通過(guò)噴嘴射流霧化后進(jìn)入反應(yīng)器，在催化劑的作用下發(fā)生催化裂化反應(yīng)。如果油漿噴嘴磨損失效，高溫油漿向外飛濺泄漏，將會(huì)釀成火災(zāi)事故，嚴(yán)重影響裝置的正常生產(chǎn)，也無(wú)法滿(mǎn)足裝置長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行的要求。本文就油漿噴嘴磨損外漏原因進(jìn)行分析討論，提出改進(jìn)措施并實(shí)施。

1 噴嘴結(jié)構(gòu)與油漿性質(zhì)

通常催化裂化裝置有兩支油漿噴嘴，油漿噴嘴安裝在反應(yīng)器的提升管管壁上，對(duì)稱(chēng)分布。油漿噴嘴為霧化型噴嘴，單支油漿噴嘴結(jié)構(gòu)和安裝見(jiàn)圖1。該類(lèi)型噴嘴結(jié)構(gòu)形式是目前煉油行業(yè)催化裂化裝置使用較為廣泛的結(jié)構(gòu)，一般兩支配對(duì)使用，每支油漿噴嘴中心線均與反應(yīng)器的提升管管壁成30°夾角，且兩支油漿噴嘴中心延長(zhǎng)線與提升管軸線相交于同一點(diǎn)，對(duì)稱(chēng)分布。油漿從噴嘴裝置Y型口斜向進(jìn)料，蒸汽為軸向進(jìn)料，油漿和蒸汽混合后通過(guò)噴嘴射流霧化，促進(jìn)催化裂化反應(yīng)。噴嘴公稱(chēng)直徑為DN100，保護(hù)套管內(nèi)壁和噴嘴之間的空腔填充纏繞的石棉繩，以降低套管外表面溫度；噴嘴的主體材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼，噴口位置采用化學(xué)滲硼熱處理，以提高噴嘴表面硬度。提升管內(nèi)徑860mm，襯里厚度120mm，器壁厚度16mm。

圖1 油漿噴嘴安裝結(jié)構(gòu)

每個(gè)油漿噴嘴的設(shè)計(jì)處理量為8～16 t/h，正常操作時(shí)處理量為15 t/h。油漿進(jìn)料壓力為0.6MPa，提升管內(nèi)壓力為0.23MPa，霧化蒸汽溫度220℃，霧化蒸汽壓力為1.0MPa，霧化蒸汽量為5%，噴嘴壓降為0.35MPa。

從油漿的性質(zhì)可知，油漿中含有0.13%的殘?zhí)亢?.39%的機(jī)械雜質(zhì)，即裝置運(yùn)行生成的焦碳、催化劑以及設(shè)備被磨損后產(chǎn)生的金屬顆粒成分。由于裝置使用的催化劑是一種硬催化劑，澤西法磨損指數(shù)≤2.5%，抗磨損強(qiáng)度較高，被磨損率較低，但是，裝置循環(huán)使用的這種硬催化劑，對(duì)它所流經(jīng)的機(jī)械設(shè)備造成較為嚴(yán)重的磨損。

2 油漿噴嘴磨損情況

2012年6月停工大修時(shí)更換安裝兩個(gè)油漿噴嘴，2013年12月23日南側(cè)油漿噴嘴發(fā)生泄漏，帶溫帶壓進(jìn)行了補(bǔ)漏焊接處理，之后安裝補(bǔ)強(qiáng)套管。補(bǔ)焊后噴嘴外觀見(jiàn)圖2，油漿噴嘴磨損泄漏維修情況見(jiàn)表1。

圖2 油漿噴嘴補(bǔ)焊后外觀

2015年5月裝置停工檢修，油漿噴嘴外部套管磨損開(kāi)口見(jiàn)圖3，拆檢提升管內(nèi)噴嘴磨損情況見(jiàn)圖4。

由圖可見(jiàn)外部套管靠近器壁磨損開(kāi)口約100mm ×40mm，提升管內(nèi)部噴嘴和套管同步磨損，噴嘴扁平噴口早已磨損消失，射流管長(zhǎng)345mm中磨損約280mm，完全失去噴嘴霧化油漿的作用。提升管器壁側(cè)的噴嘴擋板磨損脫落，周邊襯里沖蝕掉落。

表1 油漿噴嘴磨損泄漏維修情況

圖3 磨損的油漿噴嘴套管外觀

圖4 噴嘴及提升管內(nèi)套管磨損

3 油漿噴嘴磨損原因

3.1 油漿對(duì)噴嘴內(nèi)壁面的沖蝕作用

噴嘴的磨損是油漿射流對(duì)噴嘴內(nèi)壁作用的結(jié)果。噴嘴內(nèi)表面因磨損而產(chǎn)生的宏觀體積損失是由單個(gè)催化劑顆粒沖擊所造成的材料微觀體積損失累積形成[1]。油漿內(nèi)顆粒組份為生焦、催化劑和其他金屬雜質(zhì)，其中催化劑顆粒占主要部分。

（1）微切削作用。在反應(yīng)器高溫環(huán)境中，催化劑顆粒撞擊噴嘴內(nèi)壁時(shí)會(huì)在法線方向切入噴嘴內(nèi)壁一定深度，而在切線方向則會(huì)切割一段距離。催化劑運(yùn)行周期越長(zhǎng)，噴嘴磨損程度越嚴(yán)重，造成噴嘴內(nèi)徑擴(kuò)大。

（2）疲勞開(kāi)裂。油漿中生焦顆粒硬度低于噴嘴材料硬度，機(jī)械金屬顆粒硬度和噴嘴材料硬度相當(dāng)，當(dāng)催化劑等顆粒物以較大的沖蝕角碰撞到噴嘴內(nèi)壁面上，會(huì)使噴嘴內(nèi)壁面發(fā)生較大變形，由于催化劑顆粒的反復(fù)碰撞，再加上射流的持續(xù)沖擊，致使噴嘴內(nèi)表面材料脆化，其表面微裂紋擴(kuò)展或新的裂紋逐漸形成并擴(kuò)展，最終形成開(kāi)裂或剝離。

（3）脆性斷裂。噴嘴內(nèi)壁表面滲硼處理后脆性增加，其表面受到硬度較高而粒度較大的催化劑顆粒碰撞沖擊時(shí)產(chǎn)生縱向及橫向的裂紋。射流隨后沿裂紋產(chǎn)生擠入壓裂作用，導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展。當(dāng)兩種裂紋相連時(shí)形成碎片并斷裂，自噴嘴內(nèi)表面剝離。

三種磨損的共同作用、相互促進(jìn)，最終導(dǎo)致油漿噴嘴完全磨損。

3.2 催化劑顆粒的影響

催化劑顆粒對(duì)噴嘴材料的沖蝕是造成磨損的主要原因，因而催化劑顆粒的種類(lèi)、形狀、粒度、硬度、濃度等因素都對(duì)噴嘴磨損有重大影響。

（1）催化劑顆粒濃度。在催化劑顆粒粒度一定的條件下，射流中所含催化劑顆粒濃度越高，催化劑顆粒數(shù)目就越多，相應(yīng)參與碰撞沖擊噴嘴內(nèi)壁的催化劑顆粒數(shù)目越多，則磨損越嚴(yán)重。

（2）催化劑顆粒的尺寸。催化劑顆粒大小對(duì)噴嘴材料磨損也有明顯影響。當(dāng)催化劑顆粒很小時(shí)，其本身具有的動(dòng)能小，對(duì)材料的沖擊力小，造成的變形以彈性變形為主，幾乎不發(fā)生磨損；當(dāng)催化劑顆粒粒度超過(guò)一定界限，其沖擊力足以造成材料的破裂而發(fā)生磨損，粒度進(jìn)一步增大，會(huì)造成更大的切入深度或更嚴(yán)重的材料表面損傷，磨損越嚴(yán)重。

（3） 催化劑顆粒的形狀[2]。尖角形對(duì)材料沖擊時(shí)由于接觸面積小應(yīng)力大，因而最易于切入材料，最易造成材料破壞。催化劑顆粒外形越接近球狀，其對(duì)材料的磨損就越?。欢螤钕禂?shù)越小，說(shuō)明催化劑顆粒外形越尖銳、粗糙，對(duì)材料的磨損越大。

3.3 油漿射流操作影響

當(dāng)裝置操作處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，引起油漿催化劑流化狀態(tài)變化，油漿流量波動(dòng)、壓力波動(dòng)，油漿內(nèi)催化劑顆粒濃度等變化。這種操作的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，引起油漿噴嘴處的渦流加劇，會(huì)導(dǎo)致提升管內(nèi)的催化劑顆粒被卷吸入噴嘴內(nèi)。油漿射流的工作壓力和流速均對(duì)磨損有重要影響，當(dāng)壓力、速度變大時(shí)，磨損量會(huì)顯著上升。

噴嘴的磨損過(guò)程是由內(nèi)向外逐漸發(fā)展的，先是噴口內(nèi)徑磨損擴(kuò)大，接著噴嘴本體磨損變薄，最終將噴嘴整體磨損。噴嘴射流與提升管內(nèi)催化劑流體存在夾角，即射流是一種偏流現(xiàn)象。噴嘴出口的位置壓降偏低，噴嘴流程存在明顯偏流，迎主流側(cè)出流速度較高，背主流一側(cè)較低，這種流動(dòng)形式容易將催化劑顆粒卷吸入噴嘴內(nèi)，加速?lài)娮斓哪p。油漿中顆粒對(duì)器壁的斜向沖蝕磨損和出口背主流一側(cè)催化劑顆粒對(duì)器壁的旋轉(zhuǎn)沖蝕磨損，兩者共同作用，造成油漿中顆粒對(duì)噴嘴的磨損[3-4]。

當(dāng)兩個(gè)傾角相同對(duì)稱(chēng)安裝的南、北兩側(cè)油漿噴嘴磨損程度不同時(shí)，磨損程度大的油漿噴嘴射流沿著提升管法向壓降小、流速快、霧化效果差、沖擊動(dòng)能大，渦流現(xiàn)象更為嚴(yán)重，提升管器壁處的催化劑更容易被卷吸入噴嘴內(nèi)部。當(dāng)南側(cè)的油漿噴嘴停用，噴嘴被催化劑完全堵塞后，北側(cè)油漿噴嘴出的射流狀態(tài)存在明顯的偏流。油漿的流量增大，催化劑顆粒含量增多，磨損量也會(huì)增大，北側(cè)的噴嘴附近就形成更大的渦流現(xiàn)象，維修頻率明顯增大。卷吸入的催化劑往往顆粒更大、形狀不規(guī)則、硬度高，對(duì)油漿噴嘴的磨損更為嚴(yán)重。

4 改進(jìn)措施及效果

從上面的討論可知，噴嘴磨損的影響因素主要有噴嘴材料、結(jié)構(gòu)及油漿射流的壓力、顆粒的物理性能及其速度等。但油漿射流的工作參數(shù)關(guān)系到射流霧化效果，從而影響催化裂化反應(yīng)，所以油漿噴嘴幾何參數(shù)不能改變，目前減少磨損提高壽命的研究大多集中在噴嘴的選材及結(jié)構(gòu)參數(shù)方面。

2015年在停工大檢修期間對(duì)油漿噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的噴嘴主體材質(zhì)仍為304奧氏體不銹鋼，油漿噴嘴外徑為114mm，保護(hù)套管外徑為140mm× 6.5mm。改進(jìn)型油漿噴嘴結(jié)構(gòu)和安裝見(jiàn)圖5。

油漿噴嘴結(jié)構(gòu)主要從4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 噴口堆焊硬質(zhì)合金D822

圖5 改進(jìn)型油漿噴嘴結(jié)構(gòu)和安裝

原噴嘴噴頭部分做過(guò)化學(xué)滲硼處理，從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，滲硼處理后耐磨性不能達(dá)到抗磨效果。改進(jìn)型的噴嘴在槽型噴口周邊堆焊D822硬質(zhì)合金，厚度5mm。堆焊的硬質(zhì)合金層和噴嘴金屬熔融處理，結(jié)合強(qiáng)度更高，不容易發(fā)生磨損脫落現(xiàn)象；D822硬質(zhì)合金HRC≥53，硬度更高，合金層厚度達(dá)到5mm，厚度是化學(xué)滲硼厚度10倍以上，抗磨性能明顯提升。

4.2 噴管外表面噴涂長(zhǎng)城1#硬質(zhì)合金

原噴嘴噴管表面未做防磨損處理，改進(jìn)型的噴嘴在球形噴頭外表面及進(jìn)入提升管的噴管外表面部分噴涂長(zhǎng)城1#硬質(zhì)合金，HRC＞60。催化裂化裝置煙氣輪機(jī)的動(dòng)、靜葉片所處的催化劑工況更為復(fù)雜和苛刻，故在葉片上噴涂長(zhǎng)城1#硬質(zhì)合金，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期使用都沒(méi)有發(fā)生磨損，由此判斷在噴嘴套管表面噴涂長(zhǎng)城1#硬質(zhì)合金可以達(dá)到噴嘴的抗磨要求，提高保護(hù)套管的抗磨性能。

4.3 內(nèi)套管焊接襯里擋圈和襯里擋板

改進(jìn)型的噴嘴內(nèi)套管焊接奧氏體不銹鋼擋圈和擋板，防止渦流卷吸催化劑進(jìn)入噴嘴內(nèi)部，從而減少了油漿內(nèi)催化劑等對(duì)套管空間、套管內(nèi)壁、噴管外壁的沖刷磨損。油漿內(nèi)套管和噴嘴外壁之間填充陶瓷纖維并夯實(shí)，減弱油漿和催化劑傳熱到外部套管，減少熱損失。

4.4 改進(jìn)型的噴嘴增設(shè)外部套管（內(nèi)設(shè)襯里）

改進(jìn)型的噴嘴增設(shè)外部套管，外套管內(nèi)填充襯里后外形見(jiàn)圖6（a），安裝后的油漿噴嘴外觀見(jiàn)圖6（b）。

圖6 改進(jìn)型油漿噴嘴的安裝

外部套管為20#鋼，外徑273mm，壁厚8mm，外套內(nèi)焊接Y型錨固釘，靠近外套管側(cè)填充DD2級(jí)隔熱襯里，進(jìn)一步減少熱損失，防止發(fā)生外套管燙傷事故；內(nèi)套管側(cè)填充AA級(jí)高耐磨襯里，防止噴嘴和內(nèi)套管磨損后外漏現(xiàn)象發(fā)生，確保安全的工作環(huán)境。隔熱襯里厚度為30mm，耐磨襯里厚度為30mm，外套管具有防傳熱和防磨損的雙重作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

油漿噴嘴改進(jìn)后安裝運(yùn)行約2年，采用紅外熱成像儀定期監(jiān)測(cè)油漿噴嘴外壁區(qū)域溫度均在正常使用范圍內(nèi)，沒(méi)有泄漏現(xiàn)象發(fā)生，表明改進(jìn)后運(yùn)行效果良好。

[1]李智，胥云，王振鐸，等.水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39（11）：25-28.

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[3]李曉曼，萬(wàn)古軍，魏耀東.FCC裝置主風(fēng)分布管?chē)娮炷p的氣相流場(chǎng)分析[J].煉油技術(shù)與工程，2006（6）：15-18.

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Wearing cause analysis and improvement measures of oil slurry nozzle of catalytic cracking unit

PAN Congjin，AILijiang，HAN Shengxian
PetroChina Karamay PetrochemicalCo.，Ltd.，Karamay 834003，China

Wearing and leakage happen frequently in the oil slurry nozzle of the catalytic cracking unit in a petrochemical company，which brings about safety problems in production.The wearing causes are analyzed with respects to structure and material of the nozzle，oil slurry property，and so on.It is found that the main wearing causes are catalyst particles in the oil slurry and inefficient wearability of the nozzle.The improved oil slurry nozzle is substituted for the original nozzle，which is improved in the aspects of bead welding in the nozzle with hard alloy，splaying wear-resisting metal layer on the nozzle external wall，setting a baffle in the inner protective tube to avoid catalyst turbulent entrainment，setting wear-resisting lining in the outer protective tube.These measures have obtained the good application effects.

oilslurry；nozzle；wearing；analysis；improvement

潘從錦（1976-），男，甘肅民勤人，高級(jí)工程師，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)，碩士，主要從事煉油化工生產(chǎn)、設(shè)備技術(shù)管理工作。Email：55051470@qq.com

2017-02-21

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.04.016