乙烯裂解爐輻射段爐管破損原因分析及解決措施

韓巍

摘要：裂解爐是石油化工企業(yè)乙烯裂解裝置的龍頭，而裂解爐輻射段爐管表面所能承受的最高允許溫度是制約裂解爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本文主要分析了乙烯裂解爐輻射段爐管破損的原因，并提出了相應(yīng)的解決對(duì)策，以提高裂解爐輻射段爐管的使用壽命，促進(jìn)裂解爐的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：輻射段；裂解爐；爐管；破損

前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)不斷的提高對(duì)乙烯需求量，使得各石油化工企業(yè)乙烯裝置基本處于滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài)，工藝操作要求越來越高，生產(chǎn)過程更加精細(xì)化，以盡可能的使乙烯生產(chǎn)裝置長(zhǎng)周期的滿負(fù)荷安全平穩(wěn)地運(yùn)行。而裂解裝置的裂解爐是石油化工企業(yè)乙烯裝置的龍頭，其生產(chǎn)狀態(tài)備受各級(jí)管理人員和外界人員的注意。裂解爐主要由以下部分組成：廢熱鍋爐、對(duì)流段、輻射段、吹灰器、燃燒器、集煙罩、引風(fēng)機(jī)、以及鋼結(jié)構(gòu)等。

一、裂解爐輻射段簡(jiǎn)介

乙烯裝置裂解爐輻射段主要包括爐管、耐火襯里、爐墻板、爐墻磚和燃燒器等，而爐管就是裂解爐輻射段最為關(guān)鍵的部件之一。為了提高耐高溫性能，裂解爐輻射段爐管一般都采用高含鉻鎳合金材質(zhì)鑄造而成的合金鋼管。其中，Cr25-Ni20材質(zhì)的合金爐管在爐內(nèi)使用時(shí)爐管表面承受的最高允許溫度一般為1050℃，而Cr25-Ni35材質(zhì)的合金爐管在爐內(nèi)使用時(shí)爐管表面能承受的最高允許溫度一般為1115℃，而Cr35-Ni45材質(zhì)的合金爐管在爐內(nèi)使用時(shí)爐管表面能承受的最高允許溫度可達(dá)到1150℃。裂解爐輻射段爐管表面能承受的最高允許溫度是制約裂解爐長(zhǎng)周期運(yùn)行的最為關(guān)鍵的因素，因此，在爐管的生產(chǎn)制造過程中加入鈮、鎢、釩、鈦等微量元素，可以有效地提高爐管在高溫條件下的抗高溫蠕變性能和抗?jié)B碳性能，能有效延長(zhǎng)裂解爐輻射段爐管的使用壽命。加入鈮元素能夠提高鋼的蠕變斷裂強(qiáng)度，加入鎢元素能夠改善鋼的抗?jié)B碳能力和耐高溫變形能力，還使鋼具有抵抗結(jié)焦引起的材料損傷性能。高濃度的鉻鎳元素能夠有效的保證爐管材料的耐腐蝕性，尤其是鎳含量越高，越有利于改善鋼的抗?jié)B碳能力。

二、裂解爐輻射段爐管破損原因

（1）爐管內(nèi)壓力過高，導(dǎo)致?lián)p壞

在裂解爐中進(jìn)行的裂解反應(yīng)需要在高溫、低烴分壓、短停留時(shí)間等狀態(tài)下操作，所以也就決定了裂解爐輻射段爐管的材質(zhì)要求是必須要耐高溫，而不是耐高壓的。一般乙烯裝置裂解爐輻射段爐管的操作壓力在0.32MPa左右。但在生產(chǎn)過程中一些操作都會(huì)導(dǎo)致輻射段爐管內(nèi)的壓力超高，引起爐管損壞。

例如：裂解原料大量帶水、或裂解爐投料過程中沒有打開進(jìn)料前導(dǎo)凝閥排水、或者是稀釋蒸汽系統(tǒng)控制的不到位，導(dǎo)致稀釋蒸汽過熱不充分，稀釋蒸汽就會(huì)大量帶水，導(dǎo)致過多的水在輻射段爐管中汽化，引起輻射段爐管內(nèi)壓力增加而超高，引起爐管損壞。

或者，裂解爐在清焦結(jié)束以后，在切入急冷系統(tǒng)時(shí)，如果切換操作工藝流程不正確，造成輻射段爐管憋壓，導(dǎo)致引起爐管內(nèi)壓力超高，使?fàn)t管發(fā)生損壞。

或者，裂解爐生產(chǎn)負(fù)荷過高，在正常操作時(shí)，裂解爐的生產(chǎn)負(fù)荷一般在設(shè)計(jì)生產(chǎn)負(fù)荷的70%～100%之間，如果我們?cè)趯?shí)際操作中的生產(chǎn)負(fù)荷大于了設(shè)計(jì)的最高要求，由于裂解反應(yīng)是生成小分子的過程，那么必然會(huì)造成裂解爐輻射段爐管內(nèi)壓力超高，導(dǎo)致爐管損壞。

（2）輻射段爐管溫度過高，燒壞爐管

雖然裂解反應(yīng)需要在高溫的條件下進(jìn)行，但并不是溫度越高越好，因?yàn)檩椛涠螤t管的材質(zhì)決定了爐管表面能夠接受的最高溫度。裂解爐輻射段爐管長(zhǎng)期處于高溫條件下，會(huì)發(fā)作蠕變現(xiàn)象，以至于爐管發(fā)生斷裂損壞。高溫下的氧化與滲碳兩種進(jìn)程促進(jìn)爐管內(nèi)壁金屬體積發(fā)作不均勻的改變，部分區(qū)域內(nèi)發(fā)作很高的應(yīng)力，加之滲碳層內(nèi)碳化物集合增加了材料的脆性，易構(gòu)成裂紋。輻射爐管外壁高溫氧化，因?yàn)檩椛錉t管運(yùn)轉(zhuǎn)階段偶爾呈現(xiàn)的超溫表象，使金屬中的鉻含量下降，金屬耗費(fèi)，金屬體積發(fā)作不均勻改變，構(gòu)成內(nèi)應(yīng)力。輻射爐管長(zhǎng)時(shí)間處于高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，在合金晶界處，裂紋敏感性極強(qiáng)，因?yàn)轶w積不均勻改變，內(nèi)應(yīng)力增加而產(chǎn)生裂紋；在操作進(jìn)程中，輻射爐管外表面溫度不穩(wěn)定，而致使的熱應(yīng)力更是加快了裂紋的發(fā)作與產(chǎn)生。在生產(chǎn)過程中一些操作都會(huì)導(dǎo)致輻射段爐管表面的溫度超高，引起爐管損壞。

例如，輻射段爐管結(jié)焦嚴(yán)重，為了保證裂解爐出口溫度的穩(wěn)定，就需要提高爐膛溫度，從而引起爐管的溫度超高。或者是燃料氣出現(xiàn)帶液情況，液相的燃料氣經(jīng)燃燒器噴到爐膛或輻射段爐管上，就會(huì)造成輻射段爐管局部溫度過高。或者文丘里堵塞或出現(xiàn)偏流，那么有的輻射段爐管就會(huì)出現(xiàn)干燒或過裂解的狀況，導(dǎo)致裂解爐輻射段爐管溫度超高?；蛘哌^高的燃料氣壓力會(huì)導(dǎo)致裂解爐爐膛內(nèi)溫度過高，進(jìn)而引起輻射段爐管溫度超高?；蛘呤橇呀鉅t燒焦速率過快，由于燒焦操作是放熱反應(yīng)，通入工業(yè)風(fēng)的速率過快，就會(huì)導(dǎo)致輻射段爐管溫度迅速升高，而發(fā)生溫度超高現(xiàn)象。

（3）輻射段爐管滲碳，導(dǎo)致爐管損壞

裂解爐輻射爐管在高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)發(fā)生滲碳現(xiàn)象。輻射爐管中的氣體由CO2、烴類、CO和焦炭等構(gòu)成。在長(zhǎng)期的高溫條件下，各種氣體吸附在爐管金屬內(nèi)外表，在爐管材質(zhì)中的鐵和鎳的催化作用下，推進(jìn)了吸附氣體的析碳反響，發(fā)生所謂的“貧鉻富鎳”現(xiàn)象。其原理就是，在爐管金屬內(nèi)外表組織疏松、氧化膜決裂或內(nèi)外表缺點(diǎn)部位，活性碳原子很容易進(jìn)入合金基體，在金屬晶界上聚結(jié)與鉻元素構(gòu)成碳化物，跟著晶界處碳原子逐漸增大，繼而構(gòu)成較為安穩(wěn)的碳化物，使?jié)B碳層中的鉻含量下降，而鎳含量相對(duì)會(huì)集。爐管中鉻含量的下降直接影響金屬材料的抗氧化-硫化性能，使合金爐管的耐熱功能下降，增加了爐管內(nèi)外表的脆性，另外由于滲碳層與其相鄰爐管材料的線性膨脹系數(shù)不一樣，操作升降溫過程中在其附近組織界面處易發(fā)生裂紋，而導(dǎo)致爐管損壞。

三、防爐管損壞采取的解決措施

1）要加強(qiáng)乙烯裝置裂解爐操作管理的工藝流程，嚴(yán)格按照規(guī)定的操作指標(biāo)控制各操作參數(shù)，使裂解爐正常平穩(wěn)的運(yùn)行，這樣能很大程度的延長(zhǎng)輻射段爐管的使用壽命。

2）工藝人員對(duì)COT和TMT的監(jiān)控要做到及時(shí)準(zhǔn)確；嚴(yán)格控制燃料氣的組分和壓力，要盡量控制平穩(wěn)，以減少波動(dòng)。

3）在乙烯裝置裂解爐燒焦操作時(shí)，要確認(rèn)燒焦徹底，要控制好燒焦時(shí)間和燒焦速率，嚴(yán)格防止燒焦不完全，或者發(fā)生二次結(jié)焦現(xiàn)象。

4）在乙烯裝置裂解爐檢修過程中，要嚴(yán)格檢查更換爐管的材質(zhì)，以及爐管的檢測(cè)報(bào)告防止?fàn)t管安裝用錯(cuò)材質(zhì)，或者尋找新型的抗氧化、耐高壓、抗高溫、抗?jié)B碳的爐管材料。在爐管安裝時(shí)要檢查安裝情況，要避免使?fàn)t管存在外部應(yīng)力。

結(jié)束語(yǔ)

不當(dāng)操作引起的超壓、超溫和滲碳是導(dǎo)致乙烯裂解爐輻射段爐管損壞的主要原因，縮短了爐管的使用壽命。所以為了實(shí)現(xiàn)乙烯裝置裂解爐的長(zhǎng)周期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在生產(chǎn)過程中必須做好裂解爐的精細(xì)化操作和選擇先進(jìn)的爐管材料。

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