CBL型裂解爐急冷鍋爐入口錐體的腐蝕與防護措施

王欽明

(中國石油遼陽石化分公司烯烴廠，遼寧 遼陽111003)

二十世紀七十年代初某公司從法國成套引進遼化乙烯裝置，1979年建成投產(chǎn)，原設計聚合級乙烯產(chǎn)能72.8 kt/a，經(jīng)過改進，于2007年裝置設計乙烯產(chǎn)能由120 kt/a提高至200 kt/a。遼化乙烯裝置共有6臺裂解爐，其中2臺CBL型裂解爐位號分別為21F110和21F111，21F110爐為CBL-Ⅱ型裂解爐，乙烯產(chǎn)能40 kt/a。2019年為適應原料輕質(zhì)化需要進行改造，改造為HS-Ⅰ型裂解爐，改造后裂解爐加工能力保持不變，只是由原來加工液相進料改為加工氣相進料，改造范圍包括輻射段爐管、對流段管束以及其他附屬系統(tǒng)，而原第一急冷鍋爐利舊，其使用時間已經(jīng)超過25 a；21F111爐為CBL-Ⅳ型裂解爐，乙烯產(chǎn)能60 kt/a，自建成投產(chǎn)后一直在用，未經(jīng)過改造更新，第一急冷鍋爐使用時間超過20 a。

1 概 述

CBL型裂解爐第一急冷鍋爐結(jié)構(gòu)為套管式，規(guī)格為φ245 mm×11 616 mm，屬Ⅲ類壓力容器，工作壓力：管程為0.2 MPa，殼程為12.5 MPa；工作溫度：管程為570～860 ℃，殼程為328 ℃；介質(zhì)：管程為裂解氣，殼程為水和水汽。環(huán)形連接件的規(guī)格為φ245 mm×22 mm×90 mm(外徑×壁厚×長度)，材質(zhì)為15CrMo。入口帶叉錐體的規(guī)格為φ112 mm—245 mm×230 mm(小頭外徑—大頭外徑×長度)，材質(zhì)為Incoloy800。

2019年6月，遼陽石化分公司烯烴廠乙烯裝置(以下簡稱遼化乙烯)停產(chǎn)大檢修期間，對整個裝置進行腐蝕檢查，在檢查過程中發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)2臺CBL型裂解爐輻射段出口、第一急冷鍋爐入口錐體蒸汽入口側(cè)有高溫氧化腐蝕現(xiàn)象。

腐蝕檢查過程中發(fā)現(xiàn)21F111第一急冷鍋爐第1臺、第2臺鍋爐入口錐體蒸汽入口附近存在高溫氧化腐蝕，錐段高溫腐蝕處外表面存在氧化皮局部脫落現(xiàn)象，局部呈黑灰色，氧化皮脫落處存在減薄(如圖1所示)。第1臺鍋爐最小壁厚 22.4 mm，第2臺鍋爐腐蝕嚴重，存在氧化皮大量脫落現(xiàn)象，最小壁厚14.2 mm，而其他鍋爐入口錐體無腐蝕部位壁厚在24 mm左右。

圖1 21F111入口錐體氧化腐蝕情況

21F110第一急冷鍋爐第1—4臺鍋爐入口錐體均存在不同程度的高溫氧化現(xiàn)象，第2臺鍋爐入口錐體蒸汽入口附近筒體存在較嚴重高溫氧化腐蝕，高溫腐蝕處存在氧化皮脫落現(xiàn)象，如圖2所示。氧化皮脫落處壁厚18.0 mm，其他鍋爐入口錐體無腐蝕部位壁厚在22 mm左右。

圖2 21F110入口錐體氧化腐蝕情況

2 腐蝕原因探討

2.1 高溫氧化腐蝕機理

金屬在高溫下與其周圍環(huán)境中的氧發(fā)生反應形成金屬的高溫氧化。高溫腐蝕并沒有嚴格的溫度界限，通常認為當金屬的工作溫度達到其熔點(絕對溫度)的30%～40%時，就可認為是高溫腐蝕環(huán)境。在高溫氣體中，金屬的氧化最初是化學反應，但膜的成長過程則屬于電化學機理，因為金屬表面膜已由氣相變?yōu)榘雽w氧化膜。熔化或半熔化狀態(tài)的堿金屬以及氧化膜，會與再熱器、過熱器的合金鋼發(fā)生強烈的氧化反應，使壁厚減薄、應力增大，引起管子產(chǎn)生蠕變，管壁進一步減薄，最后導致爆管。氧化膜的結(jié)構(gòu)很復雜，有的是多層的。高溫腐蝕與溫度有關，腐蝕從550～620 ℃時開始發(fā)生，在750 ℃時腐蝕速率最高[1]。除了氧外，CO2，H2O，SO2，H2S也可以引起高溫腐蝕，其中耐熱鋼的高溫腐蝕多數(shù)是由于蒸汽引起的。

2.2 入口錐體的結(jié)構(gòu)特點

21F110和21F111同為CBL型裂解爐，它們的急冷鍋爐入口錐體結(jié)構(gòu)十分相似，只是在尺寸上有所差別，并且兩臺裂解爐急冷鍋爐入口錐體腐蝕開裂情況相同，因此將21F110和21F111作為一個整體進行分析。

急冷鍋爐入口錐體的結(jié)構(gòu)主要由入口帶叉錐體、蒸汽入口接頭、環(huán)形連接件和保護管組成，入口帶叉錐體、環(huán)形連接件和前連接件是通過焊接連接的；保護管和內(nèi)管之間沒有通過焊接、螺紋等方式連接，它們之間是相互接觸的，并且留有縫隙。這一結(jié)構(gòu)的主要作用是降低整個入口錐體的溫度，防止錐體金屬溫度過高而發(fā)生損壞。自輻射段來的840 ℃左右的裂解氣從錐體下方進入錐體，840 ℃超過急冷鍋爐所耐受的最高溫度，因此需要通過入口錐體迅速降低錐體的溫度[2]。

2.3 錐體損壞原因分析

2.3.1 保護蒸汽流通不暢

在檢修入口錐體時，發(fā)現(xiàn)損壞的錐體有一個共同點，錐體內(nèi)部有大量的結(jié)焦物、銹蝕物等，入口錐體上的蒸汽入口接頭堵塞。由于結(jié)焦物、銹蝕物的存在造成蒸汽管線或者錐體腔體內(nèi)堵塞不暢通，影響了蒸汽的流通，裂解氣傳遞過來的熱量不能及時帶走，進而錐體超溫。錐體超溫后，材質(zhì)為15CrMo的環(huán)形連接件晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，鐵元素和空氣中的氧氣在高溫下發(fā)生劇烈的氧化反應，層層剝離，造成入口錐體因高溫氧化腐蝕而損壞。

2.3.2 保護蒸汽偏流

根據(jù)入口錐體的結(jié)構(gòu)可以看出，正常情況下內(nèi)管與保護管之間的環(huán)形縫隙是均勻的，而且縫隙很小，通過限制保護蒸汽的流量，維持錐體腔體內(nèi)的壓力，通過保護蒸汽與錐體管壁接觸帶走熱量，從而保證錐體各部位溫度均勻，防止局部過熱。由于高溫、氧化、疲勞、沖刷等原因，會造成與內(nèi)管相配合的保護管發(fā)生變形或者破損，這時內(nèi)管與保護管之間的環(huán)形縫隙局部變大，導致蒸汽偏流,錐體內(nèi)部保護蒸汽的壓力便不能維持恒定,保護蒸汽與錐體管壁之間的接觸不充分，熱量不能被帶走，造成錐體局部過熱，進一步加劇錐體變形，最終導致錐體因局部超溫而損壞。由于裂解爐運行過程中爐管內(nèi)部結(jié)焦等原因，錐體的保護管向著裂解氣側(cè)會不同程度的結(jié)焦掛壁，結(jié)焦物為致密的炭層，這些結(jié)焦物附著在保護管壁上且不均勻，從而產(chǎn)生熱應力，導致保護管發(fā)生變形，錐體腔體內(nèi)保護蒸汽便會發(fā)生偏流，不能有效帶走錐體的熱量造成錐體局部過熱而損壞。

2.3.3 保護蒸汽系統(tǒng)

在系統(tǒng)運行中，尤其是寒冷的冬季，因管線凍凝、帶液、泄漏等原因，造成保護蒸汽系統(tǒng)入口蒸汽短暫中斷，錐體腔體內(nèi)保護蒸汽壓力下降，保護管中的裂解氣便會進入到腔體內(nèi)，這時內(nèi)管與保護管之間的環(huán)形縫隙就可能被裂解氣中的結(jié)焦物堵塞或者部分堵塞。雖然蒸汽流通正常，但內(nèi)管與保護管之間的環(huán)形縫隙堵塞，蒸汽的流通通道發(fā)生改變，錐體腔體中部分位置的蒸汽并沒有流動，便會發(fā)生錐體局部超溫[3]。

3 防護措施

3.1 定期進行在線溫度監(jiān)測

定期對錐體進行溫度監(jiān)測，只要錐體各部位溫度均勻，不超溫，沒有局部過熱點，就說明錐體運行狀態(tài)良好。對錐體溫度監(jiān)測可以采用紅外測溫儀進行測溫，并做好記錄，便于數(shù)據(jù)積累與對比；也可以在光線暗的時候通過肉眼觀察錐體的顏色，正常情況在線錐體運行時的顏色應該是暗紅色，如果局部有超溫的話顏色會變亮。

3.2 蒸汽系統(tǒng)的維護保養(yǎng)

急冷鍋爐入口錐體的保護蒸汽系統(tǒng)非常重要，系統(tǒng)運行的狀態(tài)直接影響錐體的使用狀態(tài)與壽命，因此一定要保證保護蒸汽系統(tǒng)運行良好,裂解爐下線的時候，檢查蒸汽線斷口，管線是否堵塞或有異物，通入壓縮空氣或氮氣對保護蒸汽系統(tǒng)進行吹掃,急冷鍋爐內(nèi)管中介質(zhì)的溫度超過 550 ℃ 時嚴禁切斷入口錐體的保護蒸汽，因為這樣會造成錐體的保護管、折流管高溫氧化變形，造成錐體腔體內(nèi)蒸汽流通不均勻，最終致使整個錐體高溫氧化腐蝕而損壞。

3.3 錐體檢修時的注意事項

檢修時一定要注意保護管的安裝精度，確保保護管與內(nèi)管之間的環(huán)形間隙一致，偏差不大于0.5 mm。錐體外部不保溫，這樣可以有效地散熱，降低錐體溫度，延緩錐體氧化腐蝕，另外還便于日常對錐體溫度進行監(jiān)測。保證入口帶叉錐體排液孔的暢通，否則降溫過程中蒸汽凝液無法排放，積聚在錐體腔體內(nèi)，導致錐體內(nèi)部積垢、結(jié)焦，影響保護蒸汽流通。

4 結(jié) 語

從急冷鍋爐入口錐體的結(jié)構(gòu)、原理上分析錐體高溫氧化腐蝕產(chǎn)生的原因，從而給出相應的防護措施。急冷鍋爐入口錐體結(jié)構(gòu)特殊，運行中不便于直接觀察到錐體內(nèi)部的運行情況，應采取間接的方式監(jiān)測急冷鍋爐入口錐體的運行狀態(tài)，保證裂解爐正常運行，避免因錐體高溫氧化腐蝕損壞導致裂解氣外漏事故的發(fā)生。