催裂化裝置煙機入口膨脹節(jié)失效分析

文/隋春明 史光輝 王寶鵬 吳乙博

本文作者供職于中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司。

催裂化裝置膨脹節(jié)失效原因分析、預防和處理措施建議——通過對催裂化裝置膨脹節(jié)失效樣品的化學成分、金相及運行工況、斷口能譜和掃描電鏡進行分析，得出波紋管膨脹節(jié)失效的主要原因是晶間腐蝕和應力腐蝕聯(lián)合作用的結果。針對催裂化裝置含硫、含釩及高溫的運行工況，建議在檢修期間做好防露點腐蝕的防護工作，并且需定期更換膨脹節(jié)，同時可考慮采用雙層帶層間監(jiān)測預警結構的膨脹節(jié)等預防和處理措施，防止因膨脹節(jié)突發(fā)失效導致裝置非計劃停車，造成經(jīng)濟損失。

催化裂化裝置是石油深加工的主要裝置，而膨脹節(jié)是該裝置的必備元件。該裝置中的介質(zhì)工作溫度高、腐蝕性強，容易引起波紋管薄壁結構的腐蝕失效。

某公司催化裂化裝置煙氣管道單式鉸鏈型膨脹節(jié)的波紋管波峰開裂（首次出現(xiàn)此類問題），如圖1所示。

圖1 波紋管波峰開裂

失效膨脹節(jié)的安裝位置為下三鉸鏈組合的最下面的一個，如圖2所示。該波紋管主要用于吸收管道熱位移。管道介質(zhì)為煙氣+催化劑，工作溫度為700℃，運行時承受一定的波動載荷。初始裂紋在波紋管邊波峰上，長約300 mm，沿周向延伸，深度貫穿波紋管壁厚。對波紋管進行一些處理后設備繼續(xù)運行3個月，大修更換波紋管時發(fā)現(xiàn)除周向裂紋外，還有起始于周向裂紋的橫向裂紋，裂紋呈樹枝狀。

圖2 失效膨脹節(jié)安裝位置

樣品處理

切割取樣

樣品為催裂化裝置失效波紋管開裂波峰段樣品，如圖3所示，并沿其周向裂紋的走向，進行預切割；編號處理后，分別制取金相試樣（2-3）、化學分析試樣（1-3）、斷口和腐蝕產(chǎn)物分析試樣。

圖3 失效波紋管取樣示意

分析試驗

根據(jù)ASTM E2594—2020《感應耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（基于性能的方法）分析鎳合金的標準試驗方法》對樣品的材質(zhì)元素進行分析。

對失效的波紋管進行取樣，利用Olympus GX71金相顯微鏡進行裂紋低倍形貌觀察和金相組織分析，利用Quanta650掃描電子顯微鏡進行斷口形貌分析，利用Genesis X-射線能譜儀進行腐蝕產(chǎn)物分析。

運行工況

在煙氣能量回收系統(tǒng)中，采用膨脹節(jié)進行補償?shù)闹饕?條管線，其中旋風分離器至煙氣輪機管道的工作介質(zhì)為煙氣，其成分見表1，工作溫度在700℃左右，工作壓力在0.35 MPa左右。

表1 某裝置煙氣成分組成及比例

結果與討論

參數(shù)測量

分別從切割波紋管的兩側及中間部位測量每個波的波高、波距，并填入表3。將出現(xiàn)周向裂紋的波紋記為第1個波，依次標記為2、3、4、5、6。波紋管的設計波距為100 mm，設計波高為102 mm。由表2可知，周向裂紋所在的第一個波紋長度已經(jīng)達到了115 mm，其波距變化率已達到GB/T 12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件》中規(guī)定的平面失穩(wěn)限值，說明波紋管已出現(xiàn)平面失穩(wěn)。

表2 波紋管參數(shù)測量表

化學成分分析

針對失效的波紋管材料進行成分分析，分析結果見表3，符合ASME SB443 N06625合金的標準，材質(zhì)沒有問題。

表3 波紋管材質(zhì)化學成分分析

裂紋宏觀觀察

圖4為周向裂紋宏觀形貌照片，從圖中可以看出波紋管外面覆蓋著黑色的碳和黃褐色的腐蝕物。本次出現(xiàn)的裂紋長度約30 cm，斷裂處1-3試樣和1-5試樣還有子午向的裂紋，如圖5所示。

圖4 周向裂紋宏觀形貌

圖5 橫向裂紋形貌

斷口清洗后明顯可以看出裂紋分為3個區(qū)域，從上至下分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)。裂紋源區(qū)，占斷口區(qū)域的1/7；裂紋擴展區(qū)占斷口區(qū)域的5/7；剩余部分為斷裂區(qū)。裂紋起源于試樣內(nèi)表面，主要為沿晶特征。圖譜如圖6所示，后的腐蝕產(chǎn)物主要為NiO、Cr2O3、NiCr2O4、NiS和Fe2O3。

圖6 掃描電鏡+能譜分析

失效分析

Inconel 625合金作為一種鎳基變形高溫合金，具備了耐高溫、耐腐蝕、抗氧化以及抗疲勞等優(yōu)點，擁有良好的性能，包括優(yōu)異的屈服強度和疲勞裂紋擴展速率，在650℃以下時具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能。催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)管路內(nèi)介質(zhì)工作溫度700℃，存在高溫氧化和腐蝕失效的工況條件。

合金的抗腐蝕性主要來源于Cr元素與空氣中的氧氣發(fā)生氧化形成Cr2O3保護膜，阻止基體與腐蝕介質(zhì)接觸。雖然，Ni是親氧元素，合金中Ni元素占有優(yōu)勢時，能生成連續(xù)的氧化膜，但NiO不如Cr2O3致密，保護性不如Cr2O3。因此腐蝕過程中往往伴隨著氧化層的溶解。

合金在腐蝕后的晶界處發(fā)現(xiàn)明顯的析出相，為δ相Ni3（Nb, Mo），隨著Nb和Mo元素聚集到晶界處形成第二相，造成晶界處產(chǎn)生貧Cr區(qū)和貧Ni區(qū)，難以形成致密的氧化膜，致使S元素腐蝕基體。晶界處富集大量S元素，NiS和Ni會在高溫下生成共晶體，這種共晶體的熔點只有645℃，熔融的共晶體滲透于晶粒之間，發(fā)生晶間腐蝕。

晶間腐蝕作為應力腐蝕裂紋的誘發(fā)部位，在波紋管壓力、位移應力以及含硫腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生了應力腐蝕裂紋。

另外高強合金的性能本身也加快了腐蝕裂紋的擴展。當腐蝕裂紋沿厚度方向擴展至波紋管壁厚無力承受介質(zhì)內(nèi)壓時，波紋管就會開裂失效。

結論與建議

分析結論

1.波紋管失效性質(zhì)為晶間腐蝕和應力腐蝕作用的聯(lián)合結果。

2.裂紋源的產(chǎn)生是由于材料在腐蝕性環(huán)境下局部高應力處首先發(fā)生高溫氧化、硫化腐蝕所致。

3.波動載荷是產(chǎn)生交變應力的原因，波紋管在交變應力作用下，其應力幅值反復變化，裂紋得以不斷擴展，最后斷裂。

應用建議

1.停工檢修期間做好防護

由于催化裂化裝置中存在大量的含硫氣體，在低于露點溫度時極易冷凝，并沉積到波紋管底部，從而增大產(chǎn)生應力腐蝕失效的幾率。

2.進行膨脹節(jié)結構升級

催化裂化裝置是石油深加工的主要裝置，而能量回收系統(tǒng)又是決定全廠能源利用指標的重要系統(tǒng)。若該系統(tǒng)因突發(fā)設備失效造成裝置緊急停，將產(chǎn)生重大經(jīng)濟損失。為提高該系統(tǒng)用膨脹節(jié)裝置的長周期安全運行可靠性，建議將波紋管的單層薄壁結構，升級為雙層結構，并采用“單層承壓，雙層設計”的理念，進行產(chǎn)品的設計和制造。同時，該結構可輔以具備遠程監(jiān)測功能的波紋管層間泄漏預警系統(tǒng)，將大大提升整個裝置系統(tǒng)（管路）的運行安全性。