兩段提升管FCC再生設備應力腐蝕裂紋成因分析及處理措施

朱偉

摘 要：通過對兩段提升管催化裂化裝置再生系統設備裂紋調查，分析了應力腐蝕裂紋產生的原因，并對應力腐蝕裂紋提出了解決的辦法，消除了裝置的設備隱患。

關鍵詞：兩段提升管催化裂化；應力腐蝕；裂紋；分析；措施

前言

山東石大科技集團有限公司20萬噸/年兩段提升管催化裂化裝置自2002年4月改造并一次性開車成功，該技術由中國石油大學化學化工學院首次成功應用于工業化試驗，由于一段提升管催化裂化為同軸式沉降——再生器結構，為了便于催化劑的流化，我們增加催化劑燒焦罐，這使得操作難度和水平有了不同程度的提高。運行后期兩段提升管催化裂化裝置的二段提升管、燒焦罐的外旋殼體、煙道管的彈簧支座等焊縫部位相繼出現了大量穿透性裂紋，并出現漏風現象，嚴重威脅到裝置的安全，平穩及長周期運行。為了解上述問題，設計科研單位對裂紋產生的原因進行了認真地調查和分析，生產車間和機動科對裂紋進行補救和處理，積累了大量的實踐經驗。本次對大量的基礎數據進行分析研究，確認了裂紋產生的原因，并將采取的措施。

1 兩段提升管催化裂化裝置主要設備裂紋現狀

1.1 主要設備

設備名稱1：催化劑燒焦罐

主要尺寸：Φ1800/2200×9200mm×12

設計壓力（表）：0.35Mpa 設計溫度：750℃

操作壓力（表）：0.15Mpa 操作穩定：650-700℃

介質：催化劑、煙氣

設備名稱2：外置旋風分離器

主要尺寸：Φ1000×5425mm×10

主體材質：15CrMoR

龜甲網材質：Ocr13 襯里：JA-95

耐磨層厚度：20mm

1.2 裂紋分布及狀況

兩段提升管催化裂化裝置自02年6月投產，運行10年后相繼出現了大量裂紋，其中催化劑燒焦罐煙道支座處筒體上共發現6條穿透性裂紋，這些縱向、橫向裂紋的最長約為0.5m，且裂紋形狀有條狀和樹枝狀，分布極不均勻，隨后在催化劑燒焦缸外旋筒體上的焊縫出現長約20cm的穿透性裂紋，該裂紋為縱向裂紋。

2 設備裂紋成因分析

2010年3月開始，首先在催化劑燒焦罐煙道彈簧支座筒體上發現有裂紋產生，當時對裂紋進行補焊加強處理，同時加強了對其它外表宏觀裂紋的檢查，檢查時發現彈簧支座及筋板焊縫周圍有大量的穿透性橫向或縱向裂紋。現場補焊時裂紋向焊縫兩側的母材延伸，同時不斷出現新的裂紋，通過對鋼材的化學成分，顯微組織，強度試驗表明，這些裂紋呈現出典型的應力腐蝕裂紋形態，以下對應力腐蝕的原因進行詳細地分析和說明。

2.1 煙氣組分分析

由于這次設備開裂問題均發生在再生器煙氣系統，如催化劑燒焦罐的外部旋風分離器，以及煙道，而反應器等設備卻沒有出現類似情況，因此，可以判斷再生煙氣中存在腐蝕性介質，我們對燒焦缸的煙氣的主要成分和微量極性氣體組分進行分析，分析結果如表1所示。

數據表示出導致設備開裂的煙氣的共同規律：

（1）富氧操作，催化劑燒焦罐的煙氣中過剩氧含量較大，一般大于390，煙氣氧化性氣氛較強，CO含量極少，幾乎為零，相反，再生器處于相對貧氧狀態，CO等還原性物質的含量較多。

（2）結果顯示催化劑燒焦缸煙氣中存在一定量的SO3，煙氣SO3是由SO2轉化來的，轉化率的大小直接與煙氣中的過剩氧含量有關。催化劑燒焦缸中過剩氧含量較多，對應與其煙氣中SO3含量相對較多，SO3氣體存在與否對于煙氣酸露點溫度的高低具有至關重要的作用。

（3）分析結果顯示煙氣中存有一定的NOX，其極易溶于水，加之煙氣中有一定量的水蒸汽，在金屬內壁遇冷至露點溫度以下既會形成硝酸鹽水溶液，而NO3-是極易引發低碳鋼，低合金剛材料產生應力腐蝕的敏感陰離子。分析結果表明，只要存在低濃度的硝酸鹽溶液，在一定條件就可以造成應力腐蝕破裂。

2.2 煙氣酸露點腐蝕

催化劑燒焦缸煙氣中的水蒸汽在設備金屬器壁如果遇冷凝結成水，則煙氣中的NO2，SO3，SO2等極性氣體極易溶于水，形成酸性溶液，從而構成應力腐蝕開裂所必須的腐蝕介質和電化學反應條件，露點溫度對催化劑燒焦罐煙氣系統設備腐蝕問題至關重要。

煙氣酸露點的溫度高低取決于煙氣中的水蒸汽的分壓和SO3的濃度，如果設備壁溫較長時間處于煙氣酸露點溫度以下，有可能在設備金屬內壁表面結露，導致應力腐蝕裂紋的產生。經檢測表明，發生裂紋的催化劑燒焦缸的酸露點溫度較高，大致在120-140℃，而該罐的平均溫僅為80℃，而壁溫較低的部位正是裂紋集中發生的部位。

2.3 應力因素

催化劑燒焦罐煙道彈簧支座由于結構復雜，支座的底環板和頂環板之間所用筋板數量較多，為正常設計的2-3倍，焊接時在焊接部位產生很大的焊接殘余應力，在外加載荷的作用下導致拉伸應力的產生，加速了應力腐蝕開裂。

總之，在現場焊接殘余應力存在的情況下，如果沒有經過焊后熱處理，那么它的焊接殘余應力水平是相當高的，在合適的腐蝕環境下，會造成設備的應力腐蝕開裂。通過焊后消除應力熱處理，可以使焊接殘余應力水平大幅降低。

3 催化劑燒焦罐裂紋的處理

（1）運行時采取的對策。運行時采取的對策即對裂紋進行常規補焊。a.對催化劑燒焦罐的外旋裂紋補焊16MnR補強板，減緩裂紋擴散。b.燒焦罐煙道彈簧與支座進行重新設計，更換彈簧支座位置并在筒體上焊保護性套管，減少底環板和頂環板間筋板的數量，對焊縫進行熱處理。c.割除厚彈簧支座及各焊接加強板，減少開裂處筒體的受力情況，消除拉伸應力。

（2）大修時采取的修復措施。a.對于外旋裂紋進行打磨，視內壁襯里損壞情況進行修復，焊縫補焊處理。b.對于穿透性裂紋采取打磨，預熱補焊的方式進行處理，打磨的母材距離裂紋的兩端不得小于20mm，同時采用圓形或橢圓形予以圓滑過渡，以減少應力集中。c.補焊工作全部結束后，表面探傷合格，100%X射線探傷合格。

4 修復使用效果

自2013年5月投入使用以來，該設備沒有出現類似裂紋，裝置運行良好。采用打磨，預熱補焊的方法修復能有效解決應力腐蝕開裂問題。同時，更換彈簧支座，減少焊接應力，并進行焊后熱處理也能修復應力腐蝕開裂的難題，采用這些方法處理大量裂紋既消除了設備隱患，又大大縮短了檢修處理工期，節約了大量資金，可供同行業參考。

參考文獻

[1]龔宏，金桂蘭.應力腐蝕開裂及其對策[J].石油化工腐蝕與防護，1999，10.

[2]楊德鳳，劉凱，張金銳，等.從催化裂化煙氣分析結果探討再生設備的腐蝕開裂[J].石油煉制與化工，2001，32（3）：49-53.