乙烯裂解爐混合預(yù)熱管束腐蝕原因分析

詹 爽

（惠生工程（中國(guó)）有限公司北京分公司）

乙烯裂解爐主要包括輻射室和對(duì)流室。 輻射室內(nèi)的燃料燃燒釋放大量的熱用于輻射盤管內(nèi)原料的裂解反應(yīng)， 產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入對(duì)流室，與對(duì)流室內(nèi)多組換熱管束進(jìn)行換熱用于原料預(yù)熱和能量回收。 對(duì)流室的換熱管束主要包括原料預(yù)熱段、鍋爐給水預(yù)熱段、混合物料預(yù)熱段、稀釋蒸汽過(guò)熱段及高壓蒸汽過(guò)熱段等。 對(duì)流室煙氣入口處的幾排爐管，因其位置處于輻射室和對(duì)流室的交界處，因此能夠同時(shí)受到輻射室爐膛中高溫?zé)煔獾闹苯虞椛浜蛯?duì)流室中高溫?zé)煔饬鬟^(guò)的對(duì)流傳熱，工程實(shí)際中習(xí)慣把這幾排爐管稱為遮蔽管（一般為兩排左右）。 遮蔽管由于同時(shí)受到輻射傳熱和對(duì)流傳熱的作用，因此其熱強(qiáng)度是所有爐管中最高的，極易損壞［1］。筆者通過(guò)分析實(shí)際項(xiàng)目中乙烯裂解爐對(duì)流室底部混合預(yù)熱管束腐蝕原因，給出遮蔽管的設(shè)計(jì)思路、選材依據(jù)和操作注意事項(xiàng)。

1 問(wèn)題的提出

某裂解爐停止運(yùn)行3 h后，技術(shù)人員經(jīng)橫跨段檢查門進(jìn)入爐膛內(nèi)做例行檢查，發(fā)現(xiàn)：橫跨段爐底積存有5～10 mm厚的氧化物（圖1、2），脫落的氧化物大多為鱗片狀且具有一定的弧度，厚度約1 mm左右（圖3）；站在橫跨段爐底仰視，可以看到混合預(yù)熱段最下面幾排管束表面有水波紋狀氧化腐蝕現(xiàn)象（圖4）。 根據(jù)上述現(xiàn)象和檢測(cè)部門出具的檢測(cè)數(shù)據(jù)（管子壁厚實(shí)際測(cè)量結(jié)果、化學(xué)成分光譜分析結(jié)果及管子硬度值等） 綜合判斷：物料混合預(yù)熱段下部部分管束外表面發(fā)生了高溫氧化，最下一排最為嚴(yán)重。

圖1 橫跨段爐門附近氧化物

圖2 橫跨段爐底氧化物

圖3 氧化物形態(tài)

圖4 橫跨段上方物料混合預(yù)熱段

裂解爐對(duì)流室管束是在6個(gè)月前才被徹底更換的，最下一組管束是物料混合預(yù)熱段，共5排管子（圖5），管束材料為A312 TP304H。 在如此短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了嚴(yán)重的氧化腐蝕實(shí)屬罕見(jiàn)，更為嚴(yán)重的是共有6臺(tái)裂解爐都發(fā)現(xiàn)了同樣的問(wèn)題。

圖5 裂解爐設(shè)備布置示意圖

2 裂解爐對(duì)流室管束腐蝕原因分析

2.1 物料混合預(yù)熱段的設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

本項(xiàng)目中，裂解爐對(duì)流室管束壁厚設(shè)計(jì)依據(jù)的是SH/T 3037—2016《煉油廠加熱爐爐管壁厚計(jì)算方法》［2］。 其中“1.范圍”一節(jié)這樣規(guī)定：本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了煉油廠火焰加熱爐新?tīng)t管壁厚的計(jì)算方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。 本標(biāo)準(zhǔn)適用于有腐蝕和無(wú)腐蝕環(huán)境兩種情況下煉油廠火焰加熱爐 （直接火焰加熱， 吸熱管位于爐膛內(nèi)） 的設(shè)計(jì)。 可見(jiàn)，SH/T 3037—2016是適用于本項(xiàng)目物料混合預(yù)熱段管束強(qiáng)度設(shè)計(jì)的。 其他還有采用API Standard 530《Calculation of Heater-Tube Thickness in Petroleum Refineries》［3］和 ISO 13704 《Petroleum，Petroche mical and Natural Gas Industries—Calculation of Heater-Tube Thickness in Petroleum Refineries》［4］的。 上述3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)爐管壁厚計(jì)算的理論是完全一致的。

2.1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程

設(shè)計(jì)參數(shù)：設(shè)計(jì)溫度790 ℃，設(shè)計(jì)壓力0.65 MPa。

設(shè)計(jì)選材：A312 TP304H。選材依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是A312/A312M-17 《Standard Specification for Seamless，Welded，and Heavy Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes》［5］和GB 9948—2013《石油裂化用無(wú)縫鋼管》［6］。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定該材料的最高允許使用溫度為815 ℃，發(fā)生明顯氧化時(shí)的溫度為850 ℃，極限氧化溫度為900 ℃。

將上述數(shù)據(jù)代入公式：

其中，tσ為應(yīng)力厚度；tmin為最小壁厚；pr為斷裂設(shè)計(jì)壓力；Di為爐管內(nèi)徑；斷裂許用應(yīng)力σr=15.81 MPa；腐蝕分?jǐn)?shù)f=0.585；腐蝕裕量CA=1 mm［1］。

計(jì)算得到管子最小壁厚tmin=3.275 mm， 考慮到制造偏差，管子平均壁厚為3.685 mm。 參考如上計(jì)算結(jié)果，管子規(guī)格最終取值：外徑141.3 mm，壁厚6.550 mm。 所選壁厚大于所需的平均壁厚3.685 mm，取值安全。

2.1.3 管束的排布

混合物料預(yù)熱段管束的排布情況如圖6～8所示。

圖6 物料在下混合預(yù)熱段內(nèi)的走向示意圖

圖7 管束排布三維視圖

圖8 管束端側(cè)情況

此段水平方向有4組管束， 每組管束在豎直方向上有5排換熱管， 管排從上到下依次命名為1、2、5、4、3，下方的3排管（圖中標(biāo)記5、4、3）為遮蔽管，是未纏繞翅片的光管，上方的兩排管（圖中標(biāo)記1、2） 為翅片管。 整段管束管材全部為A312 TP304H。

物料在管束內(nèi)的走向如圖6、7所示。 物料烴與水蒸氣混合經(jīng)預(yù)熱后來(lái)到此段， 流經(jīng)第1排管后折回到第2排管，跨過(guò)第4、5排管后去第3排管，物料流出第3排管后折回進(jìn)入第4、5排管，完成預(yù)熱過(guò)程后流出對(duì)流室，進(jìn)入輻射室受熱裂解。 可見(jiàn)，第3排管所處的環(huán)境最為苛刻，因?yàn)樗苯邮艿礁邷責(zé)煔夂洼椛涫胰鎵w（左、右側(cè)和爐底）的輻射，以輻射傳熱為主，它所接觸到的煙氣溫度一般在1 100 ℃左右。 這樣設(shè)計(jì)的好處：一是物料經(jīng)過(guò)第1、2排管的預(yù)熱后，與第3排管的壁溫溫差在合適的范圍內(nèi)； 二是相對(duì)低溫的物料在第3排管內(nèi)吸收大量熱量，從而有效降低了爐管外壁溫度，這樣此排管束在設(shè)計(jì)選材時(shí)就可以選擇比較經(jīng)濟(jì)的材料，如A312 TP304H；三是第4、5排管不必選擇高等級(jí)的耐高溫材料， 和第3排管子一樣也可以選用A312 TP304H， 因?yàn)檫@兩排管束接觸到的煙氣是經(jīng)過(guò)第3排管的換熱后被降溫的煙氣， 并且這兩排管子并不直接面對(duì)高溫?zé)煔猓恰岸恪痹诘?排管的后面，和第3排相比只是局部接觸煙氣。 此段管束的排布方法被稱為“經(jīng)典五排”，而且已被多個(gè)項(xiàng)目檢驗(yàn)過(guò)，這樣設(shè)計(jì)既能滿足工藝要求又能大幅降低項(xiàng)目造價(jià)。

2.2 材料檢驗(yàn)

2.2.1 管材

圖9為即將用于本項(xiàng)目施工的管材， 從管壁上的管材標(biāo)識(shí)可以看出，管材為ASTM A312 GR.TP304H，規(guī)格為φ141.3 mm×6.55 mm，采購(gòu)選用的標(biāo)準(zhǔn)、管材、規(guī)格均與設(shè)計(jì)要求完全一致。

圖9 待施工的管材

2.2.2 事故管材的符合性

對(duì)事故管束用光譜儀實(shí)測(cè)其化學(xué)成分，結(jié)果如圖10所示。 由圖10可以看出：金屬Cr的含量在18%～20%范圍內(nèi)， 金屬Ni的含量在8%～11%范圍內(nèi)，符合ASTM A312 GR.TP304H材料對(duì)這兩種主要成分的要求。 可判斷事故管材為ASTM A312 GR.TP304H。

圖10 事故后現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的管材成分

2.3 裂解爐運(yùn)行操作

裂解爐事故發(fā)生時(shí)， 所在地的日平均氣溫為-12 ℃，最高氣溫為-7 ℃。 該裂解爐采用的是輻射室爐底與側(cè)壁燃燒器聯(lián)合供熱方式，其中爐底燃燒器配有助燃空氣預(yù)熱器，用裝置中產(chǎn)生的低品質(zhì)熱水作為預(yù)熱器中的熱源。 某日裝置晃電后空氣預(yù)熱器中的熱水?dāng)嗔鞑鼋Y(jié)， 脹裂換熱管，大量冰塊擁堵在預(yù)熱器的空氣通道內(nèi)，致使助燃空氣的流通面積大幅減小。 事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)人員用高溫蒸汽從預(yù)熱器下方向上吹融預(yù)熱器內(nèi)的冰塊，清理工作持續(xù)10 h以上，不經(jīng)意間致使大量水蒸氣進(jìn)入爐膛內(nèi)。 A312 TP304H是18-8系列奧氏體不銹鋼，這種材料的抗高溫蒸汽腐蝕性較差，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生蒸汽氧化問(wèn)題和氧化皮脫落問(wèn)題， 給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。 有研究對(duì)A312 TP304H在560、590、620 ℃水蒸氣下進(jìn)行了氧化試驗(yàn)， 結(jié)果表明A312 TP304H的氧化速度隨著溫度的升高而加快［7］。然而，裂解爐在正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的蒸汽量有限，對(duì)管子影響微乎其微，發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象輕微，是在設(shè)計(jì)可控范圍內(nèi)的。

晃電事故后，要求裂解爐在盡可能短的時(shí)間內(nèi)將投料量提升到100%， 隨著投料量的逐步增加，燃料量供給加大，爐頂引風(fēng)機(jī)的抽力逐漸加大，這就需要從爐底燃燒器進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入爐膛內(nèi)的空氣量不斷加大，但空氣預(yù)熱器內(nèi)空氣流通面積變小，使得進(jìn)入爐膛內(nèi)的空氣量越發(fā)不足。 在爐頂引風(fēng)機(jī)抽力的作用下，不足的空氣只能從側(cè)壁燃燒器進(jìn)風(fēng)口補(bǔ)充進(jìn)爐膛。 這就造成輻射室爐膛中、下部位燃料燃燒不充分，未充分燃燒的燃料隨煙氣在爐膛頂部、橫跨段等部位與從側(cè)壁燃燒器進(jìn)入爐膛的氧氣混合燃燒，從而使橫跨段煙氣溫度極大地超過(guò)了正常值，使對(duì)流室管束處于非正常的高溫狀態(tài)， 尤其是第3排管氧化腐蝕最為嚴(yán)重。 隨著煙氣向上流動(dòng)，溫度降低，物料下混合預(yù)熱段上方的爐管高溫氧化腐蝕變輕。 從現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果來(lái)看實(shí)際腐蝕情況符合上述分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， 物料混合預(yù)熱段管束的設(shè)計(jì)、采購(gòu)方面均滿足工藝及現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求。 裂解爐發(fā)生晃電后，恢復(fù)生產(chǎn)的過(guò)程中，空氣預(yù)熱器故障未及時(shí)得到徹底清除，在這樣的情況下快速提高投料量，造成大量的水蒸氣進(jìn)入爐膛內(nèi)，使?fàn)t管被高溫水蒸氣氧化腐蝕。 另外，晃電事故造成空氣預(yù)熱器故障，致使從爐底燃燒器進(jìn)入爐膛內(nèi)的空氣量不足，煙氣中殘存的燃料氣與從側(cè)壁燃燒器等處進(jìn)入爐膛的空氣混合后在橫跨段、對(duì)流室下部發(fā)生二次燃燒，使對(duì)流室下部管束尤其是物料混合預(yù)熱段超溫， 導(dǎo)致材料快速氧化腐蝕，這是事故發(fā)生的主要原因。