裂解爐線性套管式換熱器內管失效的原因分析及在線處理的方法

盧正雄, 李元明, 張 曉

（中國石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113004）

裂解爐線性套管式換熱器內管失效的原因分析及在線處理的方法

盧正雄, 李元明, 張 曉

（中國石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧 撫順 113004）

裂解爐廢熱鍋爐作為乙烯裝置的核心設備被廣泛關注。對廢熱鍋爐線性套管式換熱器內管失效和材質損傷進行分析，查找出影響因素，提出建議，并對在線處理作出描述。

廢熱鍋爐；線性套管式換熱器；材質失效；氧腐蝕

線性套管式廢熱鍋爐因其低阻力降，高產汽率，長使用周期的優(yōu)點被多數(shù)乙烯裝置使用。某乙烯裝置共有8臺裂解爐，其中7臺液態(tài)原料裂解爐采用USC-176U型超選擇性爐，1臺氣態(tài)原料裂解爐采用 USC-12M型爐。單臺液態(tài)原料裂解爐共有4組進料，8組廢熱鍋爐，每組廢熱鍋爐有11個線性套管式換熱器（SLE）,下稱 SLE，重油爐為輻射段爐管2合1進入一根SLE,輕油爐為輻射段爐管1對 1進入 SLE的形式。根據(jù)廢熱鍋爐為套管形式的設計，裂解氣走內管，鍋爐給水走外管，其作用是鍋爐給水和裂解氣順流換熱，給裂解氣降溫，終止裂解二次反應[1]，同時鍋爐給水回收裂解氣高溫熱量，副產溫度為525 ℃，壓力為12.5 MPa的超高壓蒸汽。自裝置開工以來，廢熱鍋爐按六次常規(guī)清焦加一次水力清焦的操作模式運行，出入口溫差符合工藝要求，產汽量滿足設計要求。

近期對重油爐檢查時，發(fā)現(xiàn)其中一臺爐第一組（1、2、3、4根）爐管整體透亮，用光學測溫儀檢測發(fā)亮爐管表面溫度最高達到1 090 ℃，基本接近爐管材質的耐溫極限[2]。同時對廢熱鍋爐裂解氣側進氣管口檢查時發(fā)現(xiàn)，第一組廢熱鍋爐（1、2）根 SLE進氣管口處呈黑色，不同于其它廢熱鍋爐的磚紅色。在對比廢熱鍋爐產汽量趨勢時發(fā)現(xiàn)，SS產量明顯下降 2 t/h左右。通過上述發(fā)現(xiàn)，推測爐管有可能發(fā)生堵塞情況。

1 爐管和SLE堵塞情況的判斷

1.1 對爐管不同部位進行測溫和對比

根據(jù)爐管表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，工藝上采取對問題爐管和其它爐管進行不同部位的監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析比較，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 爐管測溫對比情況Table 1 Furnace tube temperature contrast

由表 1可看出，問題爐管不同部位的溫度均高于其它爐管，說明爐管內無介質流通或取熱效果較差。

1.2 對廢熱鍋爐進行測溫和對比

利用光學測溫儀對第一組廢熱鍋爐不同 SLE裂解氣側進氣管口測溫，測溫點為輻射段出口至進料管口之前（進料管口的溫度還要比測溫點低約150 ℃），測溫情況詳見數(shù)據(jù)表2。

表2 SLE測溫對比情況Table 2 SLE temperature contrast

由表 2可看出，問題 SLE進氣管口溫度明顯低于其它SLE，說明高溫裂解氣沒有進入SLE。

1.3 排查各組爐管文丘里壓差

通過對第一組進料各文丘里壓差的檢查，發(fā)現(xiàn)其它爐管文丘里前后絕對壓力差值均小于0.9 MPa，而問題爐管的文丘里前后絕對壓力差值大于0.9 MPa，達到USC型爐清焦標志[3]。

根據(jù)上述分析結果，確定該爐第一組（1、2、3、4根）爐管堵塞嚴重，所對應的 SLE堵塞嚴重。工藝上采取對該爐作燒焦停爐處理，同時對爐管和SLE堵塞情況展開處理。

2 爐管和SLE的清焦處理

2.1 堵塞爐管的處理和檢查

由于爐管在輻射段呈 U型排布，設備人員采取在文丘里下部、U型彎兩側、SLE下部管口對爐管進行切割，采用內窺鏡對爐管切割部位進行分段檢查堵塞情況，爐管在輻射段分布形式見圖1。

圖1 輻射段爐管結構示意圖Fig.1 Furnace tube radiation section structure diagram

分段檢查爐管堵塞情況見圖2。由圖2可以看出，爐管堵塞較嚴重，焦粉幾乎堵滿輻射段爐管下部U形彎處。

根據(jù)內窺鏡的檢查情況確定結焦部位，同時對結焦部位進行高壓水力清焦，保證整根爐管內的焦粉和掛壁焦層完全清理干凈，具備生產使用的要求。

圖2 爐管堵塞情況Fig.2 Furnace tube plugging

2.2 SLE的清焦和檢查

根據(jù)重油爐SLE結構設計，每根SLE內管都設計有水力清焦口，設備人員采取由水力清焦口對SLE內管進行清理。清焦結束后，采用內窺鏡對SLE內管（裂解氣側）進行檢查，檢查發(fā)現(xiàn) SLE內管出現(xiàn)嚴重變形，下部出現(xiàn)明顯凹陷，變形情況見圖3。

圖3 SLE內管變形情況Fig.3 SLE tube deformation condition

由圖 3看出，凹陷位置發(fā)生在 SLE的鍋爐給水方箱（渦流室）管口位置，堵塞了內管約1/2的流道。

通過對 SLE內管的檢查，爐管堵塞的原因基本明確：裂解氣流道的部分堵塞造成裂解氣流通受阻，裂解反應的停留時間延長，裂解反應的二次反應加劇，爐管的結焦速率上升，大量結焦物最終導致爐管和 SLE的堵塞。同時，SLE內管金屬材料嚴重變形，內管金屬材質的局部應力和強度已無法滿足生產要求，必須對變形部位進行處理。

3 SLE凹陷內管的在線處理方法

3.1 SLE的拆檢

a、首先將方箱上方的套管換熱器外管以工字形切開，形成兩個半圓狀態(tài)取下，并進行位置的標記見圖示：

b、將進氣管嘴下方與爐管連接的地方斷口見圖示:

c、將方箱和進料管嘴切割見圖示:

d、將方箱上方套管換熱器外管切除而露出的內管部分同樣切除一段見圖示:

e、將內管和方箱內相連部位切割，取出失效內管見圖示:

3.2 方箱的檢查修復

檢查：在對取下的方箱進行檢查時，沿切口垂直觀察，發(fā)現(xiàn)在方箱內，內管和外管之間存在大量黑灰色固體片狀垢物，堵塞在高壓鍋爐給水入口處。為查清原因，對堵塞垢物進行了取樣分析。堵塞情況見圖4。

圖4 垢物堵塞情況Fig.4 Dirty jams condition

由圖 4可以看出，大量呈片狀的垢物堆積在方箱（渦流室）底部，基本堵塞高壓鍋爐給水的進水管口。

修復：考慮到垢物所在的位置空間狹小，不易清理干凈，為保證 SLE的順利修復，設備人員采取了用高壓水力清污的方式清理垢物部位，并對清理干凈的方箱進行修復。

a、用符合材質要求（16Mo3）的新加工內管與方箱內管進行焊接，將焊接件進行處理，使焊口達到可以使用的標準。

b、將修復好的方箱進行復位，逐步焊接 SLE內管和鍋爐給水進水口。

c、將裂解氣進氣管嘴和方箱組件底部進行焊接。

d、在整個焊接過程中要嚴格按照焊接精度和規(guī)定的焊絲進行焊接，同時要進行著色和探傷[4]檢測。

4 SLE內管失效的原因分析

4.1 金屬材質分析

利用直讀光譜儀[5]對失效內管的材質進行確認，分析結果見表3所示。

表3 材質分析結果Table 3 The material analysis results

由表 3可以看出金屬材質的化學成分符合EN10028對16Mo3的規(guī)定，材質合格。

4.2 垢物分析

對送檢的固態(tài)垢物經(jīng)過干燥、研磨后，進行 X射線衍射分析，分析結果見圖5。

圖5 X射線衍射分析譜圖Fig.5 X-ray diffraction analysis spectra

通過對比標準譜圖，確定送檢的樣品主要成分為 Fe2O3，沒有檢測出 Na、S、Cl等元素的化合物。因為介質是鍋爐給水，F(xiàn)e2O3主要是高溫氧化腐蝕的產物。

4.3 凹陷部位的金相檢驗[6]

對送檢的失效材質進行金相分析，分別取未失效部位和失效部位的橫截面進行比對，比對圖見圖6、圖7。

圖6 未失效部位的金相圖（200×）Fig.6 Metallographic picture of no failure positions

圖7 失效部位的金相圖（200×）Fig.7 Metallographic picture of failure parts

由上兩圖可以看出，失效部位金相組織中珠光體的球化現(xiàn)象嚴重，且有石墨化的跡象。

廢熱鍋爐換熱管所用材質的正常金相組織為鐵素體+珠光體的形態(tài)，滲碳體組織分布在鐵素體中，在相同的時間條件下，同種材質珠光體球化程度主要由溫度決定，溫度越高，則球化程度越嚴重。從金相分析結果看，廢熱鍋爐換熱管未凹陷處出現(xiàn)了輕微的珠光體球化，說明該處出現(xiàn)了超溫現(xiàn)象，但超溫并不嚴重。凹陷處的金相組織中珠光體已完全球化并出現(xiàn)石墨化，說明該部位超溫嚴重。

4.4 內管失效原因分析

換熱管外管的介質是高壓鍋爐給水，根據(jù)熱虹吸現(xiàn)象水從下方進入換熱器內，在換熱器內發(fā)生相變轉化為蒸汽。由于碳鋼和低合金鋼材料在高溫蒸汽環(huán)境中出現(xiàn)氧化腐蝕的現(xiàn)象是不可避免的，所以隨著換熱器的長時間使用，會產生一定的腐蝕物。當鍋爐給水指標控制的合格時，少量的腐蝕物會被蒸汽帶走進入汽包，隨排污排出系統(tǒng)，當鍋爐給水指標控制的不合格時，特別是溶解氧超標時，高溫氧腐蝕加劇，腐蝕物呈片狀結構并脫落，不易被帶出換熱器，最終會積累在換熱器底部方箱內，使鍋爐水不能夠很好的分布在換熱器內，嚴重時會堵塞進水口，造成熱虹吸現(xiàn)象中斷。長時間和高溫裂解氣換熱，水的不均勻分布造成部分金屬管換熱不好，產生局部過熱，壁厚減薄，由此引起管的局部強度和剛度下降。外管介質是高壓鍋爐水，內管介質是低壓的裂解氣，大壓差造成金屬管外壓失穩(wěn)，向內管鼓包，甚至破裂損壞。

5 結論及建議

廢熱鍋爐線性套管式換熱器內管局部失效屬于高溫氧化腐蝕，腐蝕物阻礙鍋爐水局部正常換熱，局部超溫，外壓失穩(wěn)的表現(xiàn)。建議：（1）優(yōu)化裂解爐的平穩(wěn)操作，避免爐子出口溫度超高。（2）加強鍋爐水控制指標監(jiān)控，出現(xiàn)超標現(xiàn)象及時分析處理，防止長時間指標不合格。（3）爐子升降溫時，對廢熱鍋爐水側低點排污，防止有害物質的積累。（4）對停用爐SLE的方箱定期進行檢查和清理，條件允許時，增加單組 SLE方箱的快速排污閥門。

［1］ 陳濱. 乙烯工學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004: 225-226.

［2］ 車俊鐵. 管加熱式爐常用高溫爐管性能對比分析[J]. 工業(yè)爐，2002（3）: 11-14.

［3］ 陳濱. 乙烯工學[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2004: 318-320.

［4］ 曲文海. 壓力容器與化工設備實用手冊[M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2000.

［5］ 胡建國. 直讀光譜儀穩(wěn)定性研究[J]. 江西冶金，2004（1）: 38-39.

［6］ 任頌贊. 金相分析原理及技術[M]. 上海: 上海科學技術文獻出版社, 2013：364.

Reason Analysis and Online Processing Method of Inner Tube Failure in Cracking Furnace Linear Double-tube Heat Exchangers

LU Zheng-xiong, LI Yuan-ming, ZHANG Xiao

（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Plant, Liaoning Fushun 113004，China）

Cracking furnace waste heat boiler as the core equipment of ethylene plant is widely concerned. In this paper, tube failure and material damage of linear double-tube heat exchanger of waste heat boiler were analyzed, the influencing factors were found out, the proposal, and online processing method was put forward.

waste heat boiler; linear double-tube heat exchanger; material failure; oxygen corrosion

TQ 052

A

1671-0460（2016）12-2824-04

2016-10-08

盧正雄（1963-），男，遼寧省撫順市人，高級工程師，1988年畢業(yè)于沈陽化工學院高分子專業(yè)，多年從事石油煉化裝置的生產技術工作。E-mail：fs-lzz@petrochina.com.cn。