裂解爐一次注汽管線焊縫裂紋原因分析及改造

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(中國石油 獨山子石化分公司 乙烯廠， 新疆 獨山子 833699)

獨山子石化分公司百萬噸乙烯裝置8臺裂解爐(10-F-0101～0801)采用德國LINDE技術(shù)，爐型為PyroCrack1-1，加工原料為石腦油、輕烴及加氫尾油，裂解工藝為爐管注入稀釋蒸汽(DS)，單臺爐加工能力15萬t/a。正常情況下,7臺裂解爐進料運行，1臺裂解爐燒焦后備用(根據(jù)裂解爐結(jié)焦情況，8臺裂解爐輪流切出燒焦)。輻射段設(shè)計為雙輻射室，輻射爐管垂直布置，入口爐管和出口爐管與長U形管連接，通過增加機械靈活性消除運行中產(chǎn)生的應(yīng)力。爐管對流段采用模塊分層布置，有效回收裂解煙氣熱量，提高熱效率。裂解爐屬于高溫設(shè)備(最高溫度1 100 ℃)，不同部位溫度不同，呈梯度遞增，故選擇了不同等級高溫鋼材質(zhì)，如SA312 TP321H、 SA335 P91、SA335 P11、G-X10NiCrNb32-20、G-X40NiCrSiNb35-25、G-X45NiCrSiNb45-35等。

1 6#～8#裂解爐裂紋情況

6#～8#裂解爐為加氫尾油爐，設(shè)計進料加工量59 t/h,采用一次、二次冷熱注汽工藝來保證預熱原料在對流段內(nèi)流型(環(huán)形)和預熱原料在對流段完全汽化。2009-09-17，百萬噸乙烯裝置開工，6#～8#裂解爐投料運行穩(wěn)定。2011-03-01，在8#裂解爐正常運行期間，對流段一次注汽管線焊縫處發(fā)現(xiàn)裂紋，蒸汽泄漏，裂解爐按正常程序燒焦停爐。停爐降溫后，發(fā)現(xiàn)冷、熱注汽管線匯合處76.2 mm(3″)冷注汽管線與管臺焊縫處存在環(huán)形貫穿性裂紋，見圖1。

圖1 8#裂解爐一次注汽管線裂紋圖片

據(jù)車間記錄顯示，2011年～2014年，6#～8#裂解爐一次注汽管線焊縫共出現(xiàn)21次裂紋，均為貫穿性裂紋。其中，13次裂紋發(fā)生在76.2 mm(3″)管線與152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管臺相接處，長度20～130 mm；另外8次出現(xiàn)的裂紋部位為152.4 mm(6″)管線與152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管臺相接處，長度150～220 mm，見圖2～圖5。

圖2 現(xiàn)場一次注汽管線布置示圖

圖3 一次注汽管線152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管臺腐蝕情況

圖4 一次注汽76.2 mm(3″)管線焊縫裂紋

圖5 一次注汽152.4 mm(6″)管線焊縫裂紋

2 裂紋產(chǎn)生原因分析[1-6]

2.1 管線溫變幅度大

加氫尾油6#～8#裂解爐一次注汽混合器(10-M-0X05A-H～0X05A-H，X=6、7、8)的冷、熱稀釋蒸汽匯合點管線、管件所采用的材料均為高溫鋼A335 P11。

原冷稀釋蒸汽側(cè)管線設(shè)計溫度330 ℃，熱稀釋蒸汽側(cè)管線設(shè)計溫度450 ℃，稀釋蒸汽混合后管線設(shè)計溫度470 ℃。在實際運行過程中，熱稀釋蒸汽會出現(xiàn)操作溫度在500～526 ℃，極限溫度達到過530 ℃的情況，導致一次注汽管線短時超溫，焊縫處應(yīng)力集中。

現(xiàn)場根據(jù)裂解爐設(shè)計數(shù)據(jù)進行了模擬核算，結(jié)果表明當裂解原料為加氫尾油時，一次注汽管線應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。

當原料為石腦油時，一次注汽為熱注汽，此時冷注汽管線停蒸汽，冷、熱注汽混合點(焊縫裂紋處)溫度梯度由480 ℃變化至150 ℃，溫差變化較大，注入點溫差變化更大，易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。同時，當裂解原料發(fā)生變化時，一次注汽管線冷、熱注汽需要切換，切換時間短，溫變范圍大，產(chǎn)生較大應(yīng)力。在相對苛刻條件下通過SELAS模擬得到的應(yīng)力計算結(jié)果見表1。

表1 裂解原料為石腦油時一次注汽管線裂紋點應(yīng)力計算值 MPa

從表1可以看出，一次注汽管線焊縫處一次應(yīng)力約為管道許用應(yīng)力的7.66倍，一次注汽管線焊縫處二次應(yīng)力接近管道許用應(yīng)力。

2.2 管線高溫位移

現(xiàn)場一次注汽管線運行時溫度高，管線發(fā)生橫向移位。76.2 mm(3″)冷注汽管線中的水平管線距離注汽混合點位置較近，長度為500 mm，管線柔性差，一次注汽管線中冷、熱注汽切換時管線發(fā)生移位，應(yīng)力得不到有效釋放，在管臺焊縫處集中導致裂紋產(chǎn)生。

2.3 管線彈簧支吊架失效

裂解爐運行期間，在裂解原料為石腦油和冷、熱注汽切換的情況下，一次應(yīng)力和二次應(yīng)力明顯超標，導致部分彈簧吊架偏移或失效。通過計算確認現(xiàn)場一次注汽管線部分彈簧支吊架選型不當，導致管系多處一次應(yīng)力超標，彈簧支吊架被壓死或脫空。一次注汽的冷、熱注汽管線彈簧支吊架失效見圖6～圖8。

圖6 一次注汽管線熱注汽彈簧支架失效

圖7 一次注汽管線冷注汽彈簧支架失效

圖8 一次注汽管線熱注汽彈簧吊架失效

3 解決措施[7-15]

3.1 優(yōu)化工藝操作并延長冷熱注汽切換時間

裂解爐一次注汽管線切料時，冷、熱注汽切換時間短(15～20 min)、溫差變化大(最大溫變350 ℃)，導致匯合處管線應(yīng)力瞬時集中，嚴重超標，管線焊縫處硬度大、柔性差產(chǎn)生裂紋。通過優(yōu)化工藝操作方案，采取延長冷、熱注汽切換時間大于1 h，切換過程中緩慢增減冷、熱注汽用量，調(diào)整燒嘴燃料氣用量等措施，解決了管線應(yīng)力瞬時超標問題。

3.2 改變注汽管線走向和注汽匯合點連接形式

現(xiàn)場裂解爐一次注汽管線布置和溫差變化易導致應(yīng)力在152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管臺焊縫處集中，管線及管臺長度過短導致應(yīng)力無法得到有效釋放，需通過更改管線走向增加低溫稀釋蒸汽管與主管接點的柔性。將管臺變更為長250 mm的過渡性短管件來分散應(yīng)力，降低局部應(yīng)力集中造成的損壞。

6#裂解爐對流段一次注汽管線走向改造效果見圖9、圖10，過渡性短管管件見圖11。

圖9 6#裂解爐對流段一次注汽管線(北側(cè)0605E-H管線)走向改造效果

3.3 更換失效彈簧并增加彈簧支吊架

現(xiàn)場一次注汽管線彈簧支吊架載荷分布不均勻，部分彈簧過載失效，部分彈簧脫空，經(jīng)設(shè)計院計

圖10 6#裂解爐對流段一次注汽管線(南側(cè)0605A-D管線)走向改造效果

圖11 過渡性短管管件

算確認后需要將圖12中的6個彈簧支吊架A1、A3、A5、A6、B1、B2更換成新彈簧，同時需要新增3個彈簧支吊架A2、A4、B3，保證現(xiàn)場管線載荷合理分配。新設(shè)計的一次注汽管線彈簧支吊架情況見圖12。

3.4 優(yōu)化焊接方案并增加熱處理工序

裂解爐一次注汽管線原來的焊接工藝為，76.2 mm(3″)、152.4 mm(6″)A335 P11管子與152.4 mm×76.2 mm(6″×3″)管臺處焊縫均采用?2.4 mm焊絲CHG-55B2氬弧焊打底，然后?3.2 mm 的R307填充、蓋面，預熱溫度為150～200 ℃，控制層間溫度小于350 ℃。

圖12 新設(shè)計6#～8#裂解爐彈簧支吊架示圖

由于一次注汽管線的壁厚小于13 mm,根據(jù)SH 3501-2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》[16]的要求，可以不做熱處理。

本次改造對A335 P11材質(zhì)， 不論是76.2 mm(3″)管、156.4 mm(6″)管還是過渡管件處的焊縫，在原焊接工藝的基礎(chǔ)上，增加熱處理內(nèi)容：①所有管線焊接完成后立即進行250～300 ℃后期熱處理，保溫1 h。②所有管線焊縫均做700～750 ℃熱處理、恒溫2 h，熱處理后焊縫硬度應(yīng)大于225HB[17]。

4 結(jié)語

2015-04-23,對6#～8#裂解爐對流段一次注汽管線依據(jù)優(yōu)化方案進行施工改造，2015-05-25完成改造，改造完成后延長冷、熱注汽切換時間。2015年、2016年、2017年委托設(shè)備檢驗所分別對6#～8#裂解爐對流段一次注汽管線焊縫進行檢測，檢測結(jié)果均合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋,由此驗證了此次改造方案的正確性及可實施性。

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