兩段提升管FCC再生設備應力腐蝕裂紋成因分析及處理措施

朱偉

摘 要：通過對兩段提升管催化裂化裝置再生系統(tǒng)設備裂紋調查，分析了應力腐蝕裂紋產生的原因，并對應力腐蝕裂紋提出了解決的辦法，消除了裝置的設備隱患。

關鍵詞：兩段提升管催化裂化；應力腐蝕；裂紋；分析；措施

前言

山東石大科技集團有限公司20萬噸/年兩段提升管催化裂化裝置自2002年4月改造并一次性開車成功，該技術由中國石油大學化學化工學院首次成功應用于工業(yè)化試驗，由于一段提升管催化裂化為同軸式沉降——再生器結構，為了便于催化劑的流化，我們增加催化劑燒焦罐，這使得操作難度和水平有了不同程度的提高。運行后期兩段提升管催化裂化裝置的二段提升管、燒焦罐的外旋殼體、煙道管的彈簧支座等焊縫部位相繼出現了大量穿透性裂紋，并出現漏風現象，嚴重威脅到裝置的安全，平穩(wěn)及長周期運行。為了解上述問題，設計科研單位對裂紋產生的原因進行了認真地調查和分析，生產車間和機動科對裂紋進行補救和處理，積累了大量的實踐經驗。本次對大量的基礎數據進行分析研究，確認了裂紋產生的原因，并將采取的措施。

1 兩段提升管催化裂化裝置主要設備裂紋現狀

1.1 主要設備

設備名稱1：催化劑燒焦罐

主要尺寸：Φ1800/2200×9200mm×12

設計壓力（表）：0.35Mpa 設計溫度：750℃

操作壓力（表）：0.15Mpa 操作穩(wěn)定：650-700℃

介質：催化劑、煙氣

設備名稱2：外置旋風分離器

主要尺寸：Φ1000×5425mm×10

主體材質：15CrMoR

龜甲網材質：Ocr13 襯里：JA-95

耐磨層厚度：20mm

1.2 裂紋分布及狀況

兩段提升管催化裂化裝置自02年6月投產，運行10年后相繼出現了大量裂紋，其中催化劑燒焦罐煙道支座處筒體上共發(fā)現6條穿透性裂紋，這些縱向、橫向裂紋的最長約為0.5m，且裂紋形狀有條狀和樹枝狀，分布極不均勻，隨后在催化劑燒焦缸外旋筒體上的焊縫出現長約20cm的穿透性裂紋，該裂紋為縱向裂紋。

2 設備裂紋成因分析

2010年3月開始，首先在催化劑燒焦罐煙道彈簧支座筒體上發(fā)現有裂紋產生，當時對裂紋進行補焊加強處理，同時加強了對其它外表宏觀裂紋的檢查，檢查時發(fā)現彈簧支座及筋板焊縫周圍有大量的穿透性橫向或縱向裂紋。現場補焊時裂紋向焊縫兩側的母材延伸，同時不斷出現新的裂紋，通過對鋼材的化學成分，顯微組織，強度試驗表明，這些裂紋呈現出典型的應力腐蝕裂紋形態(tài)，以下對應力腐蝕的原因進行詳細地分析和說明。

2.1 煙氣組分分析

由于這次設備開裂問題均發(fā)生在再生器煙氣系統(tǒng)，如催化劑燒焦罐的外部旋風分離器，以及煙道，而反應器等設備卻沒有出現類似情況，因此，可以判斷再生煙氣中存在腐蝕性介質，我們對燒焦缸的煙氣的主要成分和微量極性氣體組分進行分析，分析結果如表1所示。

數據表示出導致設備開裂的煙氣的共同規(guī)律：

（1）富氧操作，催化劑燒焦罐的煙氣中過剩氧含量較大，一般大于390，煙氣氧化性氣氛較強，CO含量極少，幾乎為零，相反，再生器處于相對貧氧狀態(tài)，CO等還原性物質的含量較多。

（2）結果顯示催化劑燒焦缸煙氣中存在一定量的SO3，煙氣SO3是由SO2轉化來的，轉化率的大小直接與煙氣中的過剩氧含量有關。催化劑燒焦缸中過剩氧含量較多，對應與其煙氣中SO3含量相對較多，SO3氣體存在與否對于煙氣酸露點溫度的高低具有至關重要的作用。

（3）分析結果顯示煙氣中存有一定的NOX，其極易溶于水，加之煙氣中有一定量的水蒸汽，在金屬內壁遇冷至露點溫度以下既會形成硝酸鹽水溶液，而NO3-是極易引發(fā)低碳鋼，低合金剛材料產生應力腐蝕的敏感陰離子。分析結果表明，只要存在低濃度的硝酸鹽溶液，在一定條件就可以造成應力腐蝕破裂。

2.2 煙氣酸露點腐蝕

催化劑燒焦缸煙氣中的水蒸汽在設備金屬器壁如果遇冷凝結成水，則煙氣中的NO2，SO3，SO2等極性氣體極易溶于水，形成酸性溶液，從而構成應力腐蝕開裂所必須的腐蝕介質和電化學反應條件，露點溫度對催化劑燒焦罐煙氣系統(tǒng)設備腐蝕問題至關重要。

煙氣酸露點的溫度高低取決于煙氣中的水蒸汽的分壓和SO3的濃度，如果設備壁溫較長時間處于煙氣酸露點溫度以下，有可能在設備金屬內壁表面結露，導致應力腐蝕裂紋的產生。經檢測表明，發(fā)生裂紋的催化劑燒焦缸的酸露點溫度較高，大致在120-140℃，而該罐的平均溫僅為80℃，而壁溫較低的部位正是裂紋集中發(fā)生的部位。

2.3 應力因素

催化劑燒焦罐煙道彈簧支座由于結構復雜，支座的底環(huán)板和頂環(huán)板之間所用筋板數量較多，為正常設計的2-3倍，焊接時在焊接部位產生很大的焊接殘余應力，在外加載荷的作用下導致拉伸應力的產生，加速了應力腐蝕開裂。

總之，在現場焊接殘余應力存在的情況下，如果沒有經過焊后熱處理，那么它的焊接殘余應力水平是相當高的，在合適的腐蝕環(huán)境下，會造成設備的應力腐蝕開裂。通過焊后消除應力熱處理，可以使焊接殘余應力水平大幅降低。

3 催化劑燒焦罐裂紋的處理

（1）運行時采取的對策。運行時采取的對策即對裂紋進行常規(guī)補焊。a.對催化劑燒焦罐的外旋裂紋補焊16MnR補強板，減緩裂紋擴散。b.燒焦罐煙道彈簧與支座進行重新設計，更換彈簧支座位置并在筒體上焊保護性套管，減少底環(huán)板和頂環(huán)板間筋板的數量，對焊縫進行熱處理。c.割除厚彈簧支座及各焊接加強板，減少開裂處筒體的受力情況，消除拉伸應力。

（2）大修時采取的修復措施。a.對于外旋裂紋進行打磨，視內壁襯里損壞情況進行修復，焊縫補焊處理。b.對于穿透性裂紋采取打磨，預熱補焊的方式進行處理，打磨的母材距離裂紋的兩端不得小于20mm，同時采用圓形或橢圓形予以圓滑過渡，以減少應力集中。c.補焊工作全部結束后，表面探傷合格，100%X射線探傷合格。

4 修復使用效果

自2013年5月投入使用以來，該設備沒有出現類似裂紋，裝置運行良好。采用打磨，預熱補焊的方法修復能有效解決應力腐蝕開裂問題。同時，更換彈簧支座，減少焊接應力，并進行焊后熱處理也能修復應力腐蝕開裂的難題，采用這些方法處理大量裂紋既消除了設備隱患，又大大縮短了檢修處理工期，節(jié)約了大量資金，可供同行業(yè)參考。

參考文獻

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