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催化裂化装置高温烟气管道膨胀节损坏原因分析及改进措施

文档作者：宁德君文档来源：中国石油锦西石化分公司		点击数：	更新时间： 2022年03月11日
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腐蚀与防护 石油化工设备技术，2011，32(3)·7· Petrochemical Equipment Technology
催化裂化装置高温烟气管道膨胀节损坏
原因分析及改进措施
宁德君
(中国石油锦西石化分公司，辽宁葫芦岛125001)
摘 要：介绍了催化裂化装置烟机入口暖管道膨胀节腐蚀爆裂的情况，分析了膨胀节爆裂和腐蚀的原
因。并就膨胀节防止腐蚀提出了几点措施，对今后类似部位使用的膨胀节提出了建议。
关键词：膨胀节 爆裂 腐蚀 防护
锦西石化分公司1 000 kt／a催化裂化装置烟
机暖机线横管段膨胀节在正常运行过程中突然发
生爆裂，造成烟气大量外泄，现场人员无法靠近关
闭阀门，致使烟气轮机停运9 h。爆裂的波纹管
碎片大小不等，并且另外两个膨胀节也腐蚀穿孔。
1 膨胀节投用和腐蚀概况
烟机暖机管道上有3个膨胀节，其中横管段
上的膨胀节发生爆裂，立管段上的两个膨胀节也
发生了腐蚀穿孔(此3个膨胀节的材质均为1n—
coloy800)。烟气轮机开机前需暖机，烟气通过暖
管进人烟气轮机，称暖机工况。
暖管安装示意见图1。
暖机时主管上的高温闸阀3、高温蝶阀4全
部关闭，没有烟气通过。在正常生产工况时，暖管
截止阀9打开，关闭截止阀7，此时主管上高温闸
阀3、高温蝶阀4有烟气流通，而暖管无烟气流
通。由于关闭截止阀7，烟气经主管道和截止阀9
进入暖管，截止阀7位置为盲区，烟气产生涡流使
烟气返回，在立管段上部波纹管的上边波圆弧部
位停留和富集，造成波纹管的腐蚀穿孔和爆裂。
2 膨胀节失效原因分析
由于催化反应一再生系统的操作条件苛刻，腐
蚀性极强，烟气中的催化剂对设备冲刷严重，因
此，波纹管在条件适宜的情况下，长则数月短则数
天就发生失效。其腐蚀失效形式主要表现为波纹
管的穿孔和开裂。
2．1 暖管水平段DN300单式铰链型膨胀节爆裂
原因分析
暖管水平段波纹管爆裂原因是晶间腐蚀和晶
问型应力腐蚀混合型。导致晶间腐蚀和晶间型应
力腐蚀混合型发生的主要因素如下：
450
图1 烟机人口暖管(含膨张节)安装示意
1，2 DN300单式绞链型膨胀节(立管段)；
3 高温闸阎；4 高温蝶阀；5 暖管；
6～ 主管(DN1300／DN1000)；7，9 截止阀；
8 DN300单式绞链型膨胀节(水平段)
(1)通过合肥通用机械研究所对水平段波纹
收稿日期：2010-0卜14。
作者简介：宁德君，男，2005年毕业于天津大学机械自动化
专业，现在锦西石化分公司机械动力处工作，工程师。已发
表论文l2篇。
Email：ningdejun@petrochina．COrn，cn
􀂷 8 􀂷 石油化工设备技术2 0 1 1 年
管力学性能试验和硬度测定， 水平段波纹管存在
冷作硬化， 且硬度值高于立管段的波纹管， 材料延
伸率较低。I n c o l o y 8 0 0 存在高温敏化现象， 硬化
后的I n c o l o y 8 0 0 对晶间腐蚀更为敏感， 这是水平
段波纹管产生晶间腐蚀与晶间型应力腐蚀混合型
的直接原因之～
。
( 2 ) I n c o l o y 8 0 0 属铁基镍合金， 相对于一般
奥氏体不锈钢，有较好的抗氧化性能， 但存在高温
敏化现象， 在6 5 0
。C 运行易发生晶间腐蚀倾向。
材料含碳量较高， 高温下运行易出现晶间敏化现
象。晶间腐蚀随含碳量增加而严重。
( 3 ) 波纹管制造和成形过程中， 存在残余拉
应力，在运行过程中存在较大的工作应力，这是加
速水平段波纹管产生晶间腐蚀与晶间型应力腐蚀
混合型的内在因素。
( 4 ) 在内压应力和加工残余应力( 没有经过
固熔处理) 以及烟气成分中硫、氧、硫酸根
( S O 。
’ ) 等有害介质共同作用下， 易发生晶间腐
蚀和晶间型应力腐蚀破坏。
( 5 ) 暖管水平段波纹管宏观断口呈脆性断
裂， 波峰硬度指标较高而材料延伸率较低。
( 6 ) 三旋出口高温烟气中含有硫化物、氮化
物，还有衍生的亚硫酸等，操作温度高， 环境恶劣，
有害离子在波纹管内浓缩、富集， 这是暖机管道膨
胀节发生晶间腐蚀和晶间型应力腐蚀的环境( 介
质) 因素。
( 7 ) 对暖管水平段波纹管波形参数测定和材
料化学成分分析结果及进行应力计算表明， 水平
段D N 3 0 0 单式铰链型膨胀节在设计压力
0 ． 3 5 M P a 、设计温度6 8 0 ℃ 条件下， 采用
I n c o l o y 8 0 0 材质制造波纹管， 壁厚0 ． 8 m m 两层
( 即们d 一2 x 0 ． 8 m m ) 满足不了强度要求，且强度
值低于立管段波纹管强度值。
( 8 ) 西航集团对膨胀节腐蚀产物的能谱成分
分析结果表明， 该材料( I n c o l o y 8 0 0 ) 的特定腐蚀
环境， 主要是O 、N a 、S 元素， 而A l 、S i 、C a 为灰尘
元素。断口裂纹由内表面起始向外表面扩展， 残
片断口均为沿晶断裂， 二次裂纹明显可见。材料
已明显脆化。原材料金相组织未见异常， 膨胀节
残片抛光状态可见到由内表面开始的沿晶裂纹，
有明显分叉， 组织未见明显变化。由此可认为， 膨
胀节内有腐蚀环境， 内压和工作时的变形应力使
其内表面存在拉应力， 这是造成I n c o l o y 8 0 0 产生
应力腐蚀裂纹的条件。裂纹扩展到一定程度即可
发生爆裂。
2 ． 2 暖管立管段D N 3 0 0 单式铰链型膨胀节腐蚀
穿孔原因分析
由于此膨胀节用于烟气轮机的暖管上， 在暖
机的时候烟气正常通过，前后手阀均打开， 烟气的
温度为6 5 0 ℃ ，此时远高于露点温度，不会发生露
点腐蚀。3 月1 7 日6 ： 3 0 到1 4 ： 0 0 为暖机状态。
3 月1 7 Ft 1 4 ：0 0 以后暖机线前手阀关闭， 正常开
机， 但后手阀未关， 后手阀与烟机入口烟道相通，
烟气产生涡流，使烟气返回，在立管段上部波纹管
的上边波圆弧部位停留和富集，造成腐蚀穿孔，腐
蚀情况见图2 。
图2 波纹管腐蚀穿孔情况
立管段膨胀节波纹管腐蚀穿孔原因：
( 1 )
“ 露点” 腐蚀穿孔( 烟气的酸露点温度为
酸凝结速度与酸蒸发速度相等时的烟气温度) 。
经2 0 0 4 年5 月2 7 日的测试显示， 烟气露点
温度为1 4 8
。
C ，露点温度值与烟气成分有关。烟
气成分分析结果见表l 。
表I 烟气成分分析结果
从表1 可见， 高温烟气中含有二氧化硫、氧气
第32卷第3期 宁德君．催化裂化装置高温烟气管道膨胀节损坏原因分析及改进措施
和水，通常二氧化硫约有1 ～3 转化为三氧化
硫，三氧化硫与高温烟气中的水蒸气化合形成硫
酸蒸汽，这便提高了露点温度，称为烟气露点温
度，即烟气露点温度随三氧化硫含量增加而升高。
而烟气轮机正常工况下暖管不热，波纹管外壁温
度约5O～100C，所以波纹管在烟气轮机工作状
态时壁温低于烟气的露点温度，此时硫酸蒸汽在
波纹管表面冷凝生成稀硫酸，产生低温硫酸露点
腐蚀。另一方面高温烟气中的二氧化硫与水蒸气
化合生成亚硫酸，亚硫酸再与氧结合也同样生成
稀硫酸，在波纹管低温区域产生硫酸露点腐蚀。
形成FeSO 一Fe (SO ) 一FeS() 的腐蚀循环，
大大加快了腐蚀进程。
(2)再生烟气中的氯化物来自含氯原料的催
化分解，波纹管隔热材料(硅酸铝纤维)也存在少
量C1成分等。它们溶解在波纹管内表面波峰
(谷)处的冷凝液中，形成含氯腐蚀介质，当其浓度
超过产生点蚀的临界浓度时，就会在波峰(谷)处
产生点蚀孔。随着点蚀的不断发展最终导致穿孑L。
(3)烟气中催化剂的磨蚀和冲蚀，是引起波
纹管局部腐蚀或穿孔的另一个主要原因。
(4)波纹管在制造过程中，存在残余应力，在
运行过程中存在较高的工作应力，在腐蚀环境下
加速波纹管应力腐蚀失效。
3 膨胀节防腐措施
3．1 管道设计
重新核算管道的设计，必要时进行更改，还可
以通过设计重新对管道进行布局，消除应力，或不
采用膨胀节。
3．2 波纹管设计
合肥通用机械研究所对暖管水平段波纹管波
形参数的测定和对材料化学成分分析结果表明，
采用Incoloy800材质制造波纹管，壁厚0．8 mm
两层(即 一2×0．8 ram)满足不了强度要求，且
强度值低于立管段波纹管强度值。因此，应重新
选择波纹管参数(叫一矗一50、，”一1、 —1．5 ram)，
其材质宜采用Incone1625LCF。立管段波纹管增
加波数，即由4波改为5波。波纹管厚度应大于
1．2 mitt。波纹管成形后要进行固熔处理，增加波
纹管内部导流简并采用内隔热外保温结构。加强
制造和安装过程中波纹管表面质量控制。
3．3 工艺操作
(1)尽量减少开停车次数，这样既可以减少
停机期问波纹管处产生连多硫酸的可能，又可避
免因热疲劳造成损伤。
(2)在停机期间对波纹管进行通氮气保护，
防止连多硫酸的生成，或用碱液进行局部刷涂清
洗，将波纹管表面生成的连多硫酸中和掉(使pH
值大于5)。
(3)在停车期间避免用蒸汽扫线波纹管。对
波纹管来说，各种腐蚀基本为电化学腐蚀，避免
用蒸汽扫线，可防止在役中的波纹管表面电解质
的形成，对防止波纹管的腐蚀穿孔和开裂均有
好处。
(4)在烟气轮机暖机完毕正常开机后即把暖
机管道前后手阀关闭，防止烟气在暖管内富集而
长期处于露点温度之下，这样就可以减少在暖管
道内产生露点腐蚀的机率。
通过对上述方案的对比论证并重新进行了核
算，最终确定了第一种方案为最佳方案，就是重新
核算管道的设计，对管道布局进行了改进，消除应
力，不采用膨胀节。改造后的暧机管见图3。
、 、
PS-2 PS—l PS-3
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3 暖机管改造后不意
4 结语
催化裂化装置中高温烟气管道膨胀节的腐蚀
穿孑L和爆裂是多种因素综合作用的结果。其中烟
机暖管水平段DN3OO单式铰链型膨胀节中的波
纹管爆裂，是属于晶问腐蚀和晶间型应力腐蚀混
合型以及波纹管选材不当、强度不足和没有固熔
处理等综合作用的结果。暖管立管段DN300单
式铰链型膨胀节腐蚀穿孔实际是上述几种腐蚀因
素综合作用的结果，其中以晶间腐蚀为主，高温烟
气“露点”腐蚀起主导作用。
烟机暖机管改造后，烟气轮机系统运行一直
非常正常，满足了催化裂化装置安全稳定生产的
要求

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