催化裂化裝置汽提段泄漏及煙氣輪機運行分析

崔問師，李 超，宋 林，李鳳宇

（大慶煉化公司煉油生產(chǎn)一部催化作業(yè)區(qū)，黑龍江大慶 163411）

1 汽提段泄漏情況

裝置投用日期為2003 年8 月，截至2018 年10 月28 日已運行15 年，累計運行時間5316 d（12.75 萬小時），累計啟停次數(shù)約14 次。沉降器過渡段為上大下小的錐形體，材料為15CrMoR 耐熱鋼，尺寸為Φ3000 mm/Φ900 mm，厚度16 mm。過渡段的內(nèi)部溫度500 ℃，外部溫度720 ℃。過渡段的外壁通過錨固釘掛上一層隔熱耐磨襯里，錨固釘材料為0Cr18Ni9 不銹鋼。

2 初步原因分析

2.1 泄漏故障表征

一套ARGG 裝置再生器稀相溫度于2018 年5 月4 日19：04突然上漲，稀相上部溫度TI1123B 由721 ℃上漲至730 ℃以上，稀相中部溫度TI1124A 由720 ℃上漲至740 ℃以上，稀密相溫差由25 ℃上漲至40 ℃以上。裝置對稀相溫度熱偶全部進行檢查后排除熱偶點失靈的可能。通過查閱熱偶安裝圖紙和現(xiàn)場安裝點比對，發(fā)現(xiàn)溫度上升的熱偶均安裝在再生器北側(cè)（圖1）。

圖1 再生器稀相溫度分布

裝置采取向再生器補平衡劑、大量卸劑、改變主風流量等方式來改變再生器密相床層流化效果，但收效甚微，只有在降低主風量的情況下，再生器稀相溫度隨著下降，但主風恢復(fù)正常后，再生器稀相溫度也隨之升高。

10 月19 日后再生器又出現(xiàn)稀相溫度大幅度降低，但三旋入口、煙機入口出現(xiàn)升溫至695～710 ℃的異常波動情況，結(jié)合煙機頻繁故障原因，車間最終對反再單元進行檢修。

2.2 汽提段泄漏情況

10 月29 日晚上打開再生器裝卸孔時發(fā)現(xiàn)，汽提段下部過渡段北側(cè)嚴重開裂，目測開裂約1/2 以上，裂紋附近襯里大面積脫落。經(jīng)鑿除襯里及進入內(nèi)部檢查確認，裂紋沿圓周長度約6500 mm，占圓周的69.8%（圖2、圖3）。在西北側(cè)有2 處穿孔，直徑約50 mm，呈環(huán)形裂紋，距離上方焊道約200 mm（圖4、圖5）。漏點的位置與稀相熱偶TI1124A、TI1121 初期顯示超溫的方位相符，超溫開始時TI1124A 和TI1121 顯示749 ℃（圖6）。

圖2 拆除襯里前汽提段外壁

圖3 拆除襯里后汽提段外壁

圖4 過渡段嚴重穿孔損壞部位

圖5 過渡段開裂部位

圖6 稀相超溫位置

拆除襯里后，汽提段直段和過渡段外表面可見多處呈紅褐色氧化層。經(jīng)過敲打，外表面氧化層呈碎片狀脆裂、脫落。敲掉氧化層檢查，過渡段開裂嚴重處局部壁厚僅3 mm左右。靠近過渡段的直筒體紅褐色區(qū)域，經(jīng)逐段割除檢查，外壁氧化層自上而下逐漸增厚，減薄程度隨之加?。▓D7）。檢查還發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁局部也有片狀減薄氧化區(qū)，經(jīng)逐段割除，更換前直筒體上部區(qū)域嚴重處向內(nèi)壁母材氧化減薄約9～10 mm，下部區(qū)域內(nèi)壁局部氧化減薄更嚴重。沒有在內(nèi)壁表面檢查發(fā)現(xiàn)明顯的催化劑沖蝕跡象。

此次出現(xiàn)內(nèi)外壁氧化減薄嚴重區(qū)域主要集中在直筒體底部格柵至過渡錐段之間的區(qū)域，裂紋距過渡段上口焊道200～300 mm，上口焊道表面未見開裂與缺陷。

3 主要原因

3.1 排除焊接原因

沉降器過渡段開裂部位在上部筒體連接環(huán)焊縫偏下約300 mm 處（圖3），環(huán)焊縫處未發(fā)生開裂，這說明過渡段開裂與焊接因素無關(guān)。

由圖4 和圖7 可以看出，過渡段筒體開裂附近的外壁耐熱水泥破損脫落，開裂處的錨固釘也基本脫落，遠離開裂處的耐熱水泥和錨固釘基本完好，說明過渡段開裂與外壁耐熱水泥破損有直接關(guān)系；過渡段開裂處的筒體外壁有分層現(xiàn)象。

圖7 直段氧化減薄情況

由圖8 可以看出，過渡段的內(nèi)壁基本無劇烈沖刷現(xiàn)象，說明過渡段里的物料沖刷程度較輕，不是導致開裂的主要因素；過渡段剩余未開裂的筒體切割截面依然具有一定厚度。

圖8 過渡段未開裂部分的切割截面和內(nèi)壁情況

由圖9 和圖10 可以看出，過渡段筒體開裂形態(tài)分為兩種，一種壁厚減薄嚴重，外壁附近錨固釘大多脫落，判斷為先開裂斷面；另一種壁厚減薄較小，外壁附近錨固釘基本完好，判斷為先開裂處延伸過來的后期開裂斷面。

圖9 過渡段開裂部分的斷面和外壁情況

圖10 過渡段后期開裂部分的斷面情況

觀察分析現(xiàn)場取回的大塊試件形態(tài)，敲擊清理試件外壁氧化層，拆除外壁的錨固釘，截取多個小試樣，經(jīng)超聲清洗，用體視顯微鏡分析宏觀形貌。過渡段先期開裂部分的筒體試件清理掉外壁氧化層后，顯示出筒體的金屬外壁形貌（圖11、圖12）。靠近開裂處的外壁錨固釘?shù)暮附託埩艉苌?，說明錨固釘早已脫落。筒體開裂處壁厚已經(jīng)減薄到很小，最薄處接近1 mm，開裂處附近未發(fā)現(xiàn)大裂紋，由此推斷過渡段應(yīng)該是壁厚減薄嚴重后發(fā)生斷裂，而非開裂后壁厚再繼續(xù)迅速減薄。

圖11 試件清理前的外壁形貌

圖12 試件清理后的斷面形貌

后期開裂試樣的內(nèi)壁也存在一層較厚的氧化層，并且氧化層在靠近斷口處開裂，而里側(cè)筒體金屬并未有裂紋，只是在靠近斷口處縮頸減薄（圖13）?？梢源_認，斷口附近壁厚縮頸減薄到2.8 mm，遠離斷口處為4.8～5.5 mm，由此判斷筒體金屬發(fā)生了高溫蠕變。筒體內(nèi)壁局部有較大的腐蝕坑，這說明筒體里側(cè)介質(zhì)流體的沖蝕作用也較大。觀察未斷試樣的焊縫和內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)裂紋、未焊透等異常情況，這進一步說明過渡段開裂與焊接因素無關(guān)（圖14、圖15）。

圖13 試件上截取的小試樣內(nèi)壁形貌

圖14 未斷試件焊縫處的小試樣外壁形貌

圖15 未斷試件焊縫處的小試樣截面形貌

3.2 根本原因分析

裝置殼體外側(cè)熱電偶只能測到殼體附近的溫度，即溫度為720 ℃；裝置殼體外部為露天溫度，散熱程度高，而裝置殼體直徑達到10.6 m，所以裝置里側(cè)和靠近沉降器過渡段的溫度應(yīng)該高于720 ℃。沉降器過渡段為下小上大的錐形，外側(cè)熱流體在錐形面處產(chǎn)生沖擊紊流，使得錐形面處的傳熱溫度略高于直筒段（圖16）。這些因素都導致沉降器過渡段的外側(cè)壁溫偏高。

圖16 沉降器過渡段的裝置局部

裝置生產(chǎn)時升溫較高，因熱脹冷縮需要只能一端固定支撐，沉降器筒體上部固定，過渡段承受下部的結(jié)構(gòu)體和耐熱水泥等數(shù)噸懸掛重量。當過渡段連同耐熱水泥承受向下拉伸載荷時，過渡段弧形彎曲部分產(chǎn)生附加彎矩，造成該部位里側(cè)金屬筒體拉應(yīng)力增大，高于其他部位（圖17）。上述兩種因素導致沉降器過渡段在上部的弧形彎曲部位工況惡劣，造成壁厚減薄嚴重，最終發(fā)生開裂。

圖17 沉降器過渡段偏上局部結(jié)構(gòu)受力

3.3 過渡段開裂失效機理分析

沉降器筒體長期處于500 ℃以上高溫環(huán)境和拉伸載荷條件下，類似于加熱爐的耐熱鋼爐管。CrMo 鋼爐管長期在高溫條件下使用，會發(fā)生微觀組織珠光體球化損傷現(xiàn)象，并且爐管在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生高溫蠕變，爐管直徑逐漸鼓脹，最后在局部鼓包后發(fā)生爆裂事故。相對爐管工況，過渡段筒體外壁多了一層隔熱耐磨襯里，這使得過渡段的開裂失效機理和原因比較復(fù)雜。根據(jù)上述檢測結(jié)果和對應(yīng)分析，判斷沉降器過渡段開裂經(jīng)歷以下4 個階段：

（1）第1 階段，筒體金屬組織球化損傷階段。過渡段筒體15CrMo 鋼長期處于500 ℃以上高溫環(huán)境，微觀組織逐漸發(fā)生珠光體球化損傷，由此導致筒體高溫持久強度逐漸下降。這一階段約占整體壽命的40%。

（2）第2 階段，筒體金屬高溫蠕變階段。過渡段金屬組織珠光體球化損傷嚴重后，高溫持久強度下降，在拉伸載荷作用下金屬逐漸產(chǎn)生緩慢的高溫蠕變，球化損傷和高溫蠕變嚴重區(qū)域主要集中在過渡段上部的弧形彎曲部位。這一階段約占整體壽命的50%。

（3）第3 階段，隔熱耐磨襯里開裂階段。過渡段筒體上部的弧形彎曲部位金屬蠕變到一定程度后，由于外壁水泥不能產(chǎn)生相應(yīng)的變形匹配，導致其逐漸開裂，失去隔熱效果，造成筒體金屬超溫嚴重，不但加速了組織球化損傷和高溫蠕變速率，而且筒體金屬外壁氧化加劇，內(nèi)壁也開始氧化，壁厚逐漸減薄。這一階段約占整體壽命的5%。

（4）第4 階段，筒體開裂階段。過渡段筒體上部的弧形彎曲部位，后期在外壁局部處的少數(shù)錨固釘甚至脫落，導致耐熱水泥脫落，由此加快了金屬蠕變和外壁氧化速率，壁厚減薄加快。最終局部最薄處發(fā)生開裂，帶油催化劑介質(zhì)泄漏燃燒也加劇了超溫程度，筒體開裂逐漸向相鄰減薄區(qū)域擴展，造成筒體大范圍開裂，直至本次發(fā)現(xiàn)停產(chǎn)。這一階段約占整體壽命的5%。

4 維修措施

（1）整個生產(chǎn)停工檢修期間，排查沉降器其他部位筒體是否也發(fā)生組織球化損傷和壁厚氧化減薄情況，如有氧化減薄嚴重的全部更換。

（2）積極申請技改技措項目，建議筒體材料改為不銹鋼，以提高其高溫持久強度。

（3）沉降器筒體徹底更換時，如果仍用15CrMoR 耐熱鋼，過渡段壁厚增到18 mm 以上，并確定以10 萬小時為有限使用周期。

5 汽提段泄漏影響下的煙機結(jié)垢分析

5.1 情況說明

2018 年7 月11 日、8 月18 日共2 次，間隔一個多月，相繼出現(xiàn)自5 月4 日起再生器稀相局部溫度偏高及7 月9 日起待塞閥位、汽提段藏量出現(xiàn)大幅度波動等異常情況。

5.2 原因分析

結(jié)合檢修情況表明：自5 月初開始，汽提段過渡段處即發(fā)生穿孔泄漏，當時少量的待生劑進入稀相直接燒焦，后來隨著泄漏點的不斷擴大，大量的汽提蒸汽也隨待生劑進入再生器內(nèi)部，再生器內(nèi)高溫催化劑接觸相對較低的蒸汽后出現(xiàn)熱崩、破碎，導致煙氣中催化劑細粉急劇增加；同時大量蒸汽和未燒焦完全的催化劑進入煙機后，強化燒結(jié)作用，強化燒結(jié)后的垢塊在強度、硬度和厚度上顯著增加。這些因素的組合也是后期葉片結(jié)垢無法在線清除的主要原因。當時檢修解體時，堅硬的垢塊甚至用火烤升溫和電鎬敲擊都很難清除，只能返回原廠拆除后逐個進行噴砂處理（圖18、圖19）。

圖18 2018 年7 月份煙機結(jié)垢情況

圖19 2018 年8 月份煙機結(jié)垢情況

10 月19日后再生器又出現(xiàn)稀相溫度大幅度降低，但三旋入口、煙機入口出現(xiàn)升溫至695～710 ℃的異常波動情況。受超溫影響，煙機檢修復(fù)檢數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：動葉過渡襯環(huán)間隙呈不均勻分布，底部動葉葉頂間隙最小0.9 mm，上部最大2.8 mm。為確保煙機投用，出廠修理后最小間隙1.8 mm、最大間隙3.5 mm，標準數(shù)值為2.0～2.2 mm。煙機效率下降，每天少發(fā)電約10 000 kW·h。

在此次檢修中還發(fā)現(xiàn)煙機結(jié)垢中重金屬含量過高的問題（表1）。結(jié)合檢修發(fā)現(xiàn)，除了常壓電脫鹽效果不好的因素以外，另一個重要原因是：大量未經(jīng)充分汽提的待生催化劑攜帶過量Na 等重金屬直接進入再生器頂部，并隨煙氣進入煙機，參與和強化葉片結(jié)垢進程，導致垢片的強度、硬度、厚度等超常變化，更不易在線和離線清除。

表1 平衡劑重金屬含量統(tǒng)計 μg/g

5.3 維修措施

解決汽提段開裂問題即可避免此原因引起的煙機入口超溫問題。