催化裂化裝置煙道焊縫開裂故障分析及對策

陳俊芳，蘇同君

（中國石油化工股份有限公司 石家莊煉化分公司，河北 石家莊 050099）

催化裂化裝置中，反應再生單元高溫煙道連接再生器、第三旋風分離器 （以下簡稱三旋）、煙氣輪機等設備，具有大直徑、長跨距、復雜結構特征。催化裂化裝置生產運行中，三旋至煙機入口段高溫煙道常發(fā)泄漏故障，嚴重影響裝置的安全、平穩(wěn)、長周期運行。文中通過對管道泄漏現(xiàn)場現(xiàn)象、檢修過程和原因的論證分析，探討應對措施。

1 催化裂化裝置煙道焊縫開裂及處理情況

2015年，某催化裂化裝置三旋出口煙道器壁接管（材質為304H）與蝦米腰對接焊縫出現(xiàn)長約1 m、寬約6 mm裂紋。采用帶壓捻縫方式堵漏、補焊后，對泄漏焊縫處進行貼鋼板、增加拉筋補強處理。2018年，三旋至煙機煙道豎直段（材質316H）與膨脹節(jié)對接焊縫出現(xiàn)長約1 m的裂紋泄漏,采用包盒子方式進行堵漏。2019年，三旋至煙機煙道豎直段與第2個膨脹節(jié)對接焊縫出現(xiàn)裂紋，以膨脹節(jié)鉸鏈板為中心向兩側延展，一側裂紋長約1 060 mm，另一側裂紋長約940 mm，采用包盒子并增加拉筋的方式進行堵漏，見圖1。

圖1 煙道豎直段與膨脹節(jié)對接焊縫裂紋包盒子并增加拉筋處理示圖

2019年，某催化裂化裝置三旋至煙機煙道豎直段（材質304H）與第一個膨脹節(jié)對接焊縫出現(xiàn)裂紋泄漏，裂紋長度約600 mm，采取捻縫、包盒子方式進行處理，并在該焊縫周向增加L型補強筋板，見圖2。

圖2 煙道豎直段與膨脹節(jié)對接焊縫裂紋捻縫并包盒子處理示圖

2019年，某催化裂化裝置三旋至煙機煙道豎直段與膨脹節(jié)對接焊縫發(fā)生裂紋泄漏，采取包盒子方式進行堵漏，見圖3。

圖3 煙道豎直段與膨脹節(jié)對接焊縫裂紋包盒子處理示圖

2019年，某催化裂化裝置三旋至煙機煙道（材質316H）第一道對接焊縫裂紋泄漏，采取捻縫貼板補焊方式進行堵漏，見圖4。

圖4 煙道豎直段與膨脹節(jié)對接焊縫裂紋捻縫貼板補焊處理示圖

2 三旋至煙機入口段煙道焊縫開裂原因分析

2.1 高溫下材料劣化

三旋至煙機入口段煙道工作溫度在650～700℃，為了防止襯里塊脫落對煙機過流部件造成損害，該段煙道設計為無襯里形式，材質多選用304H或 316H。

高溫下,300系列不銹鋼的晶界滑移和位錯會導致材料變形和硬化，金屬原子的擴散還會使得材料硬化消除。在時間、應力與溫度的共同作用下，硬化—硬化消除過程交替出現(xiàn)，導致金屬內部出現(xiàn)多種析出相，材料宏觀性能不斷劣化。此外，溫度升高還會使材料的斷裂方式發(fā)生改變，由穿晶斷裂逐漸轉變成沿晶斷裂。當管道內部應力高于材料的高溫強度極限時，就會導致管道發(fā)生開裂。尤其是當三旋至煙機入口煙道出現(xiàn)多次或嚴重超溫時，就可能在短時間內出現(xiàn)開裂問題。

2.2 多種應力集中作用

相當一部分煙道開裂部位位于煙道與膨脹節(jié)對接焊縫處，且裂紋多以近膨脹節(jié)鉸鏈板部位為中心。結構方面，三旋至煙機入口管系豎直段上多采用單式鉸鏈型膨脹節(jié)，該類型膨脹節(jié)可以吸收與鉸鏈轉動方向一致的較大彎曲變形，但對管道軸向變形和與鉸鏈轉動方向垂直的彎曲變形，吸收過程容易導致軸向和垂直于鉸鏈轉動方向較高水平的拉應力，從而在靠近膨脹節(jié)兩側鉸鏈板的焊縫位置產生應力集中。焊接方面，部分膨脹節(jié)的端管（端管壁厚28 mm）與煙道母材厚度（煙道壁厚20 mm）偏差較大，雖打磨坡口，焊接后仍然存在應力集中。其他方面，部分煙道在管道系統(tǒng)設置、膨脹節(jié)變形及支吊架受力等因素影響下，在冷熱態(tài)變化過程中，煙道整體受力多變、不均勻，因熱變形產生的應力無法得到有效釋放，從而造成局部應力集中[1]。

總之，煙道焊縫承受的拉應力包括煙道在安裝、組配時的焊接殘余應力、工作狀態(tài)下承受的外加載荷、結構自身拘束條件所造成的結構應力以及設備工作狀態(tài)下因內外溫度差所引起的熱應力等，其中焊接殘余應力最大。在高溫和應力集中作用下，煙道焊縫，尤其是位于煙道與膨脹節(jié)兩側鉸鏈板附近的對接焊縫容易產生裂紋泄漏。

2.3 焊縫金屬劣化及缺陷

奧氏體不銹鋼內含有少量S、P等有害元素，焊接時有害元素會在晶體邊界上偏析并生成低熔點的次生相，導致焊縫冷卻時產生熱裂紋。焊接時常利用這些有害元素在鐵素體中的溶解速度快于在奧氏體中的特性，在焊條中加入適量鐵素體，以降低奧氏體焊接時的熱裂紋傾向。這種焊縫中的鐵素體稱之為δ-鐵素體。鐵素體含量過少時，易產生熱裂紋；而含量偏高時，焊接熔融區(qū)就可能存在連續(xù)的鐵素體網絡，長時間在高溫環(huán)境下δ-鐵素體轉變?yōu)棣蚁?，使焊縫部位的延展性和韌性降低，材料產生脆化，在較低的應力下造成晶界開裂，產生裂紋并擴展。熱疲勞和氧化夾雜可能會促進裂紋的擴展[2]。

一部分發(fā)生裂紋的焊縫為煙道管系安裝時的預變位對接焊縫，安裝時可能存在強制對口、錯口或夾渣、氣孔等焊接缺陷。一旦存在這些缺陷，在焊接殘余應力、焊后消應力熱處理不充分及高低溫劇烈變化等因素的共同作用下，這些位置就容易產生微觀裂紋。而原始微觀裂紋正是造成管道焊縫開裂的起始因素。

2.4 管道系統(tǒng)布置不當

三旋至煙機入口煙道工作溫度高，管道系統(tǒng)跨距長，設置有膨脹節(jié)、支吊架等部件，從煙道冷熱態(tài)變化過程中膨脹節(jié)波紋管變形、支吊架受力情況分析，煙道整體受力呈三維立體多變形態(tài)[3]。但有的裝置三旋至煙機入口煙道的管道系統(tǒng)按二維平面L型布置[4]，或者在煙道對口時未進行預變位、預變位不足，造成熱變形產生的應力無法得到有效釋放，進而發(fā)生膨脹節(jié)過度拉伸或壓縮、煙道對接焊縫受力開裂等故障[5]。

2.5 低溫露點腐蝕

這種情況多發(fā)生于三旋至煙機入口水平煙道的低點，在裝置停工期間，水平煙道膨脹節(jié)及低點焊縫處聚集煙氣低溫凝水，煙氣中的SO42-、SO2、NOx等極易形成酸性溶液,構成了產生應力腐蝕裂紋的腐蝕介質和電化學反應條件，從而造成膨脹節(jié)及低點焊縫腐蝕開裂[6]。

2.6 膨脹節(jié)保溫不當

煙道工作溫度高，為避免波紋管及鉸鏈板溫度過高、產生過度變形和應力，煙道膨脹節(jié)波紋管及鉸鏈板處不應加外保溫。部分催化裂化裝置煙道在膨脹節(jié)鉸鏈板部位增加了外保溫，造成鉸鏈板過度變形受力。此外，設計制造時，為了提高整體剛度，膨脹節(jié)端口管、主副鉸鏈板均進行了加厚處理，加強環(huán)板增加了筋板。鉸鏈板過度變形受力后，在膨脹節(jié)與煙道對接焊縫強度薄弱部位產生過多應力，從而造成焊縫開裂。

有的由于整個三旋至煙機煙道管道系統(tǒng)更換保溫材料后，保溫效果發(fā)生變化，正常運行時，煙道外壁溫度隨之發(fā)生變化，造成煙道熱變形增大，從而在煙道焊縫處產生較大熱應力。還有的是在煙道焊縫缺陷處理過程中，局部拆除保溫后，煙道在同一平面內溫度不均勻，可能產生局部應力變化，加劇裂紋的擴展。更有個別的是因為保溫材料氯離子含量過高，造成煙道焊縫氯離子應力腐蝕開裂。

2.7 交變應力荷載

交變應力荷載常出現(xiàn)于三旋至煙機入口煙道溫度變化幅度較大、較頻繁，煙氣流動狀態(tài)不佳，支撐不足造成煙道振動等情況下，可引發(fā)煙道焊縫區(qū)域材料疲勞失效開裂。雨雪天氣加之煙道保溫效果不佳或存在缺陷，也會造成煙道焊縫外表溫度急劇變化，帶來較大拉應力和交變應力荷載。

2.8 框架結構限制

三旋至煙機入口煙道一般處于三旋框架中，框架結構的橫梁等距離煙道或膨脹節(jié)端口管、鉸鏈板過近時，在工作溫度下，發(fā)生較大位移的煙道和膨脹節(jié)就可能與框架結構橫梁發(fā)生接觸，從而影響煙道和膨脹節(jié)的正常位移，在煙道焊縫處產生過大應力，造成焊縫開裂。

3 三旋至煙機入口段煙道焊縫開裂應對措施

3.1 優(yōu)化煙道選材

三旋至煙機入口煙道推薦選用抗高溫氧化能力、高溫強度、耐蝕性更好的316H材質。對比316H與 304H的元素組成 （表1）可知，316H在304H的基礎上，提高了鎳的含量，加入了鉬元素。鎳是奧氏體的主要形成元素，使鋼材具備良好的塑形和韌性、優(yōu)良的冷熱加工性能及焊接性能，同時提高了鋼材的抗高溫氧化能力。鉬是鐵素體形成元素，使鋼材耐還原性酸、耐孔蝕、耐縫隙腐蝕的性能增強，還能提高奧氏體不銹鋼的高溫強度。從性能比較來看，316H作為煙氣管道的材料有著更大的優(yōu)勢[7]。

表1 304H與316H元素組成（質量分數(shù)） %

3.2 消除焊縫缺陷和焊接殘余應力

嚴格按照設計要求對煙道焊縫進行焊接，尤其要注重煙道與膨脹節(jié)的對接焊縫，此處多為不同壁厚管材對接，需要雙面打坡口和全焊透，坡口角度適當，注意焊接電流、層間溫度等參數(shù)，焊后進行高于820℃熱處理，以消除焊縫缺陷和焊接殘余應力。

做好煙道管道系統(tǒng)預變位工序[8]。預變位的目的是減少波紋管的應力，延長膨脹節(jié)的使用壽命，還可以減小操作時煙道作用在煙機或固定支座上的力和力矩，有利于煙機平穩(wěn)運行。預變位取煙道膨脹量的一半，波紋管上的應力則為不進行預變位時的一半，由變形所引起的推力和力矩也為不進行預變位時的一半。

3.3 提高焊縫金屬金相品質

焊接時采用合適的焊條，注意鐵素體的含量不能過高或過低（一般3%～5%），以求在焊縫金屬中形成奧氏體-鐵素體雙相組織，既可以減少晶間腐蝕的傾向，又可以細化奧氏體晶粒，防止雜質的聚集和低熔點共晶體的形成[9]。

3.4 優(yōu)化管道系統(tǒng)設置

三旋至煙機入口煙道管道系統(tǒng)優(yōu)化為三維立體Z型布置[10]，在垂直管段中部設置固定承重支架，以此固定支架為死點，將整個管道系統(tǒng)分為上部以三旋出口為支點和下部以煙機入口為支點的2個L型平面管系，2個平面管道系統(tǒng)各設置3個1組的單式鉸鏈膨脹節(jié) （鉸鏈方向不同）[11]。上部1組膨脹節(jié)的鉸鏈方向與該L型平面管道系統(tǒng)一致，均位于平面兩側，利用波紋管角位移來吸收三旋出口煙道在該平面系內的位移。下部1組膨脹節(jié)的鉸鏈方向與該L型平面管道系統(tǒng)一致，均位于平面兩側，利用波紋管角位移來吸收煙機入口煙道在該平面系內的位移。在煙機入口近段再設置2個萬向型角位移膨脹節(jié)，以吸收附加力和力矩，改善煙機本體受力情況[12]。優(yōu)化后，各膨脹節(jié)間距較大，其補償量可以很大。大口徑波紋管的彎曲剛度比軸向剛度小得多，并有鉸鏈等附件來承受內壓，不會產生由內壓引起的推力，因此作用在煙機上的力較小[13]。

3.5 停工檢查和維護

停工時對膨脹節(jié)波紋管與端管焊縫、膨脹節(jié)與煙道焊縫、鉸鏈板與筒節(jié)連接焊縫等處進行著色檢查，對焊縫熱影響區(qū)母材進行硬度檢查、金相分析，及時發(fā)現(xiàn)初始微裂紋缺陷并進行相應分析和處理。停工時注意煙機入口水平煙道及膨脹節(jié)低點的清潔情況，避免酸性凝液聚積對煙道焊縫產生腐蝕。

3.6 改善煙道保溫狀況

為避免過大溫差應力，膨脹節(jié)波紋管及鉸鏈板處不應設置保溫。保溫材料改變時，應核算溫度變化對管道系統(tǒng)變形的影響。煙道保溫施工完畢后應按要求進行驗收，在煙道正常運行期間，尤其是雨雪極端天氣前后，要對保溫效果進行檢查，及時整改保溫缺陷。煙道出現(xiàn)焊縫缺陷，需要局部拆除保溫時，應盡量縮短處理時間，盡快恢復保溫。

為了防止氯離子對煙道的腐蝕，保溫材料中的氯離子含量應符合GB/T 17393—2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規(guī)范》的規(guī)定[14-15]。

3.7 改善煙道運行條件

平穩(wěn)控制三旋至煙機入口煙道溫度，控制變化幅度和頻次，避免超溫。改善煙道內煙氣流動狀態(tài)，核算煙道管系支撐強度，必要時增加導向支架、彈簧吊架，減緩煙道振動[16]。

3.8 檢查框架結構對煙道的限制

裝置開工前對框架結構與煙道及膨脹節(jié)之間的間隙進行檢查確認，保證足夠的位移空間。煙道正常運行過程中也要定期進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)異常位移或抵觸情況，及時消除。

4 結語

三旋至煙機入口煙道焊縫開裂故障次數(shù)較多，其原因涵蓋設計、施工安裝、運行、維護及檢修等方面。因此，要從上述各個方面進行檢查、確認和改進，消除各故障因素，減少故障次數(shù)，從而保障裝置安全平穩(wěn)長周期運行。