低壓降輔助燃燒室振動(dòng)原因分析及對(duì)策

(中海油惠州石化有限公司，廣東 惠州 516086)

輔助燃燒室是催化裂化裝置開工初期的主風(fēng)加熱設(shè)備和場(chǎng)所，也是正常生產(chǎn)時(shí)的主風(fēng)通道。惠州石化有限公司4.8 Mt/a催化裂化(Ⅱ)裝置使用的低壓降輔助燃燒室既能方便點(diǎn)爐、改善燃燒效果[1]，又能顯著降低主風(fēng)通道的壓降[2]，此型輔助燃燒室廣泛應(yīng)用于煉油廠新建和技術(shù)改造的生產(chǎn)裝置中。低壓降輔助燃燒室取消了舊式輔助燃燒室的一、二次風(fēng)蝶閥，僅用1塊擋板實(shí)現(xiàn)一、二次風(fēng)的風(fēng)量分配，簡(jiǎn)化了風(fēng)量調(diào)節(jié)操作。但是有多家單位反映，低壓降輔助燃燒室在使用過(guò)程中容易發(fā)生振動(dòng)。

2017-05惠州石化有限公司新建4.8 Mt/a催化裂化(Ⅱ)裝置所有襯里施工完畢，進(jìn)行襯里烘干工作。在首次烘襯里過(guò)程中也出現(xiàn)了輔助燃燒室振動(dòng)的現(xiàn)象。文中介紹了低壓降輔助燃燒室的結(jié)構(gòu)、輔助燃燒室振動(dòng)誘發(fā)的燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂和燃燒器周圍襯里脫落情況，分析了輔助燃燒室振動(dòng)、燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂及燃燒器周圍襯里脫落的原因，提出了改進(jìn)措施，可為同類裝置低壓降輔助燃燒室的平穩(wěn)運(yùn)行和安全使用提供參考。

1 低壓降輔助燃燒室結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

惠州石化4.8 Mt/a催化裂化(Ⅱ)裝置低壓降輔助燃燒室由燃燒器本體，燃燒器調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu)，一、二次風(fēng)隔板，主風(fēng)進(jìn)口管，一、二次風(fēng)分配擋板，燃燒室內(nèi)筒體，燃燒室外筒體，錨固件，隔熱耐磨襯里，支撐筒及底座等主要部件構(gòu)成，見圖1[5]。

1.燃燒器本體 2.燃燒器調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu) 3.一、二次風(fēng)隔板 4.主風(fēng)進(jìn)口管 5.一、二次風(fēng)分配擋板 6.燃燒室內(nèi)筒體 7.燃燒室外筒體 8.熱電偶套管 9.出口管 10.人孔 11.排污口 12.錨固件 13.隔熱耐磨襯里 14.隔熱襯里 15.支撐筒 16.底座圖1 低壓降輔助燃燒室結(jié)構(gòu)示圖

與舊式輔助燃燒室相比，低壓降輔助燃燒室取消了一、二次風(fēng)蝶閥，僅用1塊擋板實(shí)現(xiàn)一、二次風(fēng)的風(fēng)量分配，使得操作簡(jiǎn)化了許多。在結(jié)構(gòu)上，低壓降輔助燃燒室通過(guò)偏心擋板調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的比例，適當(dāng)縮短燃燒室內(nèi)筒體燃燒道的長(zhǎng)度，加寬燃燒室筒體外壁和燃燒室筒體內(nèi)壁之間的間隙，去掉導(dǎo)流葉片，改變混兌進(jìn)口結(jié)構(gòu)尺寸，從而降低主風(fēng)通道的壓降[3]。與舊式輔助燃燒室5 kPa的壓降相比，低壓降輔助燃燒室能夠?qū)航悼刂圃? kPa以內(nèi)，從而使得煙機(jī)做功增多，主風(fēng)機(jī)耗電量降低，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高[4]。

2 低壓降輔助燃燒室故障及檢查情況

裝置首次烘襯里過(guò)程中出現(xiàn)了輔助燃燒室振動(dòng)的現(xiàn)象。伴隨輔助燃燒室的振動(dòng)，燃燒器調(diào)風(fēng)外筒出現(xiàn)斷裂，燃燒器周圍的襯里也出現(xiàn)了脫落。

2.1 燃燒室振動(dòng)特征

輔助燃燒室發(fā)出嗒嗒嗒的聲響，與其相連的瓦斯、風(fēng)、燃燒油、蒸汽等工藝管線有明顯的振感，振幅1～2 cm。瓦斯的燃燒火焰不穩(wěn)定，火焰擺動(dòng)。

2.2 燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂

輔助燃燒室燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂情況見圖2，局部裂口見圖3。輔助燃燒室燃燒器調(diào)風(fēng)筒即一次風(fēng)調(diào)風(fēng)百葉窗結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由嵌套著的鏤空內(nèi)外筒組成。進(jìn)入輔助燃燒室爐膛供燃燒使用的主風(fēng)，依靠?jī)?nèi)筒和外筒的錯(cuò)開程度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小。從圖2和圖3可以觀察到，燃燒器調(diào)風(fēng)外筒有多處貫穿性斷裂，甚至有的相鄰風(fēng)孔已經(jīng)連通，失去調(diào)節(jié)一次風(fēng)的作用，無(wú)法繼續(xù)使用。

圖2 輔助燃燒室燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂情況

圖3 輔助燃燒室燃燒器調(diào)風(fēng)外筒局部裂口

2.3 輔助燃燒室燃燒器周圍襯里脫落

輔助燃燒室燃燒器周圍襯里受損(圖4)，出現(xiàn)了成片脫落。脫落單塊襯里最大面積達(dá)到10 cm×20 cm。

圖4 燃燒器前端周圍受損的襯里

一、二次風(fēng)隔板附近襯里出現(xiàn)了松動(dòng)，并且有較長(zhǎng)、較深的裂紋[6]，見圖5。一、二次風(fēng)隔板附近貫穿性裂紋有6條，最長(zhǎng)的達(dá)60 cm。燃燒器周圍襯里的隔熱性能已經(jīng)喪失，一、二次風(fēng)隔板附近襯里的隔熱性能也已嚴(yán)重下降。

圖5 一、二次風(fēng)隔板附近受損襯里

3 低壓降輔助燃燒室故障技術(shù)分析

3.1 低壓降輔助燃燒室振動(dòng)

低壓降輔助燃燒室的振動(dòng)與其結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。參照?qǐng)D1所示的低壓降輔助燃燒室的結(jié)構(gòu)可以知道，一、二次風(fēng)的風(fēng)量比例通過(guò)一、二次風(fēng)分配擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)。

正常生產(chǎn)時(shí)，一、二次風(fēng)分配擋板全開，但是在烘襯里期間，一次風(fēng)作為燃燒用風(fēng)，要保證爐膛溫度高(最高不能超950 ℃)。二次風(fēng)作為夾套風(fēng)，起冷卻作用，要保證爐出口溫度不能過(guò)高(最高不能超700 ℃)，防止燒壞設(shè)備。一、二次風(fēng)的風(fēng)量需要根據(jù)爐膛溫度和爐出口溫度調(diào)整，如果一次風(fēng)需求量大，超過(guò)總風(fēng)量的1/2，一、二次風(fēng)分配擋板起到明顯的節(jié)流作用，這個(gè)時(shí)候主風(fēng)的壓降幾乎全部集中在分配擋板上。

當(dāng)流體通過(guò)節(jié)流元件時(shí)，流道形狀的改變會(huì)導(dǎo)致流體的流動(dòng)狀況發(fā)生變化。節(jié)流后經(jīng)過(guò)擴(kuò)口，形成強(qiáng)烈湍流的不規(guī)則渦流群，渦流群不斷生成、發(fā)展和消失，是誘發(fā)振動(dòng)和噪聲的主要根源[7-8]。因此，在烘襯里過(guò)程中，如果一、二次風(fēng)分配擋板的開度與風(fēng)量不匹配，這個(gè)部位會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)和聲響，若不及時(shí)調(diào)整，振動(dòng)就會(huì)蔓延至整個(gè)輔助燃燒室，最后產(chǎn)生共振。

3.2 燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂

從燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂部位板材取樣，板厚為8 mm，材質(zhì)為S30408。委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)樣品進(jìn)行理化性能分析。經(jīng)化學(xué)成分分析，樣品中C、Si、Mn、S、 P、Cr、Ni等化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0.052%、0.643%、1.07%、0.006 5%、0.028%、18.18%、8.09%。此結(jié)果表明，樣品化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]對(duì)S30408的要求。

經(jīng)滲透檢測(cè)，內(nèi)筒上未發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)斷裂元件金相組織分析，晶界區(qū)完好[10]，未見晶間腐蝕(圖6和圖7)。調(diào)風(fēng)外筒斷口處發(fā)黑，調(diào)風(fēng)內(nèi)筒及其他不銹鋼部件依然是不銹鋼原色，斷口疲勞弧線清晰可見，據(jù)此判定調(diào)風(fēng)外筒為應(yīng)力疲勞斷裂[11]。

圖6 燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂元件金相組織( 100×)

圖7 燃燒器調(diào)風(fēng)外筒斷裂元件金相組織 (500×)

4.8 Mt/a催化裂化裝置是目前國(guó)內(nèi)最大的催化裂化裝置。反應(yīng)-再生烘襯里550 ℃恒溫期間，進(jìn)入再生器的主風(fēng)體積流量達(dá)到3 550 m3/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，大約有1/3的主風(fēng)要經(jīng)過(guò)一次風(fēng)調(diào)風(fēng)筒，長(zhǎng)時(shí)間、大流量的沖擊是對(duì)調(diào)風(fēng)外筒材質(zhì)的考驗(yàn)。

設(shè)備投運(yùn)后燃燒器調(diào)風(fēng)外筒處于迎風(fēng)面，受力最大，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。破損部位為燃燒器水平180°上半圓，直接對(duì)應(yīng)一次風(fēng)入口，設(shè)備投運(yùn)之后出現(xiàn)微振，二者聯(lián)合作用下使調(diào)風(fēng)外筒發(fā)生了應(yīng)力疲勞斷裂現(xiàn)象[12]。

3.3 燃燒器周圍襯里脫落

輔助燃燒室的振動(dòng)最先出現(xiàn)在一、二次風(fēng)分配擋板處，分配擋板處產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞給一、二次風(fēng)隔板和調(diào)風(fēng)筒，進(jìn)而帶動(dòng)燃燒器振動(dòng)。燃燒器發(fā)生振動(dòng)時(shí)，燃燒器周圍襯里與錨固釘結(jié)合部位受影響出現(xiàn)松動(dòng)，襯里產(chǎn)生裂紋。隨著振動(dòng)的加劇，襯里開始脫落。燃燒器前端周圍的襯里不在高溫燃燒的區(qū)域，襯里材料等級(jí)和襯里厚度要求較低[13]，振動(dòng)時(shí)更容易出現(xiàn)裂紋，而且越靠近燃燒器的襯里，脫落現(xiàn)象越嚴(yán)重。

4 低壓降燃燒室工藝調(diào)整和設(shè)備改進(jìn)

4.1 工藝調(diào)整

在低壓降輔助燃室烘襯里期間，一、二次風(fēng)量要與爐膛溫度和燃爐出口溫度相匹配，減小一、二次風(fēng)分配擋板的前后壓差，消除振動(dòng)隱患。

4.2 設(shè)備改進(jìn)

①將燃燒器調(diào)風(fēng)外筒體材質(zhì)由S30408升級(jí)為316L，316L為低碳奧氏體不銹鋼，抗應(yīng)力腐蝕能力更強(qiáng)[14]。②減少主燃料槍頭開孔面積，提高瓦斯壓力，穩(wěn)定瓦斯燃燒。加劇燃料與風(fēng)的混合，減少燃燒熱沖擊振動(dòng)[15]。③襯里損壞處按規(guī)范重新進(jìn)行施工，燃燒器周圍約6 m2的襯里敲掉重新鋪設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

2017-07第2次烘襯里結(jié)束后，打開人孔檢查，輔助燃燒室調(diào)風(fēng)筒外筒體無(wú)損傷，燃燒器周圍襯里沒有脫落，未出現(xiàn)不合規(guī)范的長(zhǎng)的、深的裂紋。技術(shù)改造后的輔助燃燒室經(jīng)受住了考驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為大型低壓降輔助燃燒室的設(shè)計(jì)、研發(fā)及使用提供了參考依據(jù)。