催化裂化裝置汽提段泄漏及煙氣輪機運行分析

崔問師，李 超，宋 林，李鳳宇

（大慶煉化公司煉油生產一部催化作業區，黑龍江大慶 163411）

1 汽提段泄漏情況

裝置投用日期為2003 年8 月，截至2018 年10 月28 日已運行15 年，累計運行時間5316 d（12.75 萬小時），累計啟停次數約14 次。沉降器過渡段為上大下小的錐形體，材料為15CrMoR 耐熱鋼，尺寸為Φ3000 mm/Φ900 mm，厚度16 mm。過渡段的內部溫度500 ℃，外部溫度720 ℃。過渡段的外壁通過錨固釘掛上一層隔熱耐磨襯里，錨固釘材料為0Cr18Ni9 不銹鋼。

2 初步原因分析

2.1 泄漏故障表征

一套ARGG 裝置再生器稀相溫度于2018 年5 月4 日19：04突然上漲，稀相上部溫度TI1123B 由721 ℃上漲至730 ℃以上，稀相中部溫度TI1124A 由720 ℃上漲至740 ℃以上，稀密相溫差由25 ℃上漲至40 ℃以上。裝置對稀相溫度熱偶全部進行檢查后排除熱偶點失靈的可能。通過查閱熱偶安裝圖紙和現場安裝點比對，發現溫度上升的熱偶均安裝在再生器北側（圖1）。

圖1 再生器稀相溫度分布

裝置采取向再生器補平衡劑、大量卸劑、改變主風流量等方式來改變再生器密相床層流化效果，但收效甚微，只有在降低主風量的情況下，再生器稀相溫度隨著下降，但主風恢復正常后，再生器稀相溫度也隨之升高。

10 月19 日后再生器又出現稀相溫度大幅度降低，但三旋入口、煙機入口出現升溫至695～710 ℃的異常波動情況，結合煙機頻繁故障原因，車間最終對反再單元進行檢修。

2.2 汽提段泄漏情況

10 月29 日晚上打開再生器裝卸孔時發現，汽提段下部過渡段北側嚴重開裂，目測開裂約1/2 以上，裂紋附近襯里大面積脫落。經鑿除襯里及進入內部檢查確認，裂紋沿圓周長度約6500 mm，占圓周的69.8%（圖2、圖3）。在西北側有2 處穿孔，直徑約50 mm，呈環形裂紋，距離上方焊道約200 mm（圖4、圖5）。漏點的位置與稀相熱偶TI1124A、TI1121 初期顯示超溫的方位相符，超溫開始時TI1124A 和TI1121 顯示749 ℃（圖6）。

圖2 拆除襯里前汽提段外壁

圖3 拆除襯里后汽提段外壁

圖4 過渡段嚴重穿孔損壞部位

圖5 過渡段開裂部位

圖6 稀相超溫位置

拆除襯里后，汽提段直段和過渡段外表面可見多處呈紅褐色氧化層。經過敲打，外表面氧化層呈碎片狀脆裂、脫落。敲掉氧化層檢查，過渡段開裂嚴重處局部壁厚僅3 mm左右。靠近過渡段的直筒體紅褐色區域，經逐段割除檢查，外壁氧化層自上而下逐漸增厚，減薄程度隨之加劇（圖7）。檢查還發現內壁局部也有片狀減薄氧化區，經逐段割除，更換前直筒體上部區域嚴重處向內壁母材氧化減薄約9～10 mm，下部區域內壁局部氧化減薄更嚴重。沒有在內壁表面檢查發現明顯的催化劑沖蝕跡象。

此次出現內外壁氧化減薄嚴重區域主要集中在直筒體底部格柵至過渡錐段之間的區域，裂紋距過渡段上口焊道200～300 mm，上口焊道表面未見開裂與缺陷。

3 主要原因

3.1 排除焊接原因

沉降器過渡段開裂部位在上部筒體連接環焊縫偏下約300 mm 處（圖3），環焊縫處未發生開裂，這說明過渡段開裂與焊接因素無關。

由圖4 和圖7 可以看出，過渡段筒體開裂附近的外壁耐熱水泥破損脫落，開裂處的錨固釘也基本脫落，遠離開裂處的耐熱水泥和錨固釘基本完好，說明過渡段開裂與外壁耐熱水泥破損有直接關系；過渡段開裂處的筒體外壁有分層現象。

圖7 直段氧化減薄情況

由圖8 可以看出，過渡段的內壁基本無劇烈沖刷現象，說明過渡段里的物料沖刷程度較輕，不是導致開裂的主要因素；過渡段剩余未開裂的筒體切割截面依然具有一定厚度。

圖8 過渡段未開裂部分的切割截面和內壁情況

由圖9 和圖10 可以看出，過渡段筒體開裂形態分為兩種，一種壁厚減薄嚴重，外壁附近錨固釘大多脫落，判斷為先開裂斷面；另一種壁厚減薄較小，外壁附近錨固釘基本完好，判斷為先開裂處延伸過來的后期開裂斷面。

圖9 過渡段開裂部分的斷面和外壁情況

圖10 過渡段后期開裂部分的斷面情況

觀察分析現場取回的大塊試件形態，敲擊清理試件外壁氧化層，拆除外壁的錨固釘，截取多個小試樣，經超聲清洗，用體視顯微鏡分析宏觀形貌。過渡段先期開裂部分的筒體試件清理掉外壁氧化層后，顯示出筒體的金屬外壁形貌（圖11、圖12）。靠近開裂處的外壁錨固釘的焊接殘留很少，說明錨固釘早已脫落。筒體開裂處壁厚已經減薄到很小，最薄處接近1 mm，開裂處附近未發現大裂紋，由此推斷過渡段應該是壁厚減薄嚴重后發生斷裂，而非開裂后壁厚再繼續迅速減薄。

圖11 試件清理前的外壁形貌

圖12 試件清理后的斷面形貌

后期開裂試樣的內壁也存在一層較厚的氧化層，并且氧化層在靠近斷口處開裂，而里側筒體金屬并未有裂紋，只是在靠近斷口處縮頸減薄（圖13）。可以確認，斷口附近壁厚縮頸減薄到2.8 mm，遠離斷口處為4.8～5.5 mm，由此判斷筒體金屬發生了高溫蠕變。筒體內壁局部有較大的腐蝕坑，這說明筒體里側介質流體的沖蝕作用也較大。觀察未斷試樣的焊縫和內外壁均未發現裂紋、未焊透等異常情況，這進一步說明過渡段開裂與焊接因素無關（圖14、圖15）。

圖13 試件上截取的小試樣內壁形貌

圖14 未斷試件焊縫處的小試樣外壁形貌

圖15 未斷試件焊縫處的小試樣截面形貌

3.2 根本原因分析

裝置殼體外側熱電偶只能測到殼體附近的溫度，即溫度為720 ℃；裝置殼體外部為露天溫度，散熱程度高，而裝置殼體直徑達到10.6 m，所以裝置里側和靠近沉降器過渡段的溫度應該高于720 ℃。沉降器過渡段為下小上大的錐形，外側熱流體在錐形面處產生沖擊紊流，使得錐形面處的傳熱溫度略高于直筒段（圖16）。這些因素都導致沉降器過渡段的外側壁溫偏高。

圖16 沉降器過渡段的裝置局部

裝置生產時升溫較高，因熱脹冷縮需要只能一端固定支撐，沉降器筒體上部固定，過渡段承受下部的結構體和耐熱水泥等數噸懸掛重量。當過渡段連同耐熱水泥承受向下拉伸載荷時，過渡段弧形彎曲部分產生附加彎矩，造成該部位里側金屬筒體拉應力增大，高于其他部位（圖17）。上述兩種因素導致沉降器過渡段在上部的弧形彎曲部位工況惡劣，造成壁厚減薄嚴重，最終發生開裂。

圖17 沉降器過渡段偏上局部結構受力

3.3 過渡段開裂失效機理分析

沉降器筒體長期處于500 ℃以上高溫環境和拉伸載荷條件下，類似于加熱爐的耐熱鋼爐管。CrMo 鋼爐管長期在高溫條件下使用，會發生微觀組織珠光體球化損傷現象，并且爐管在內壓作用下產生高溫蠕變，爐管直徑逐漸鼓脹，最后在局部鼓包后發生爆裂事故。相對爐管工況，過渡段筒體外壁多了一層隔熱耐磨襯里，這使得過渡段的開裂失效機理和原因比較復雜。根據上述檢測結果和對應分析，判斷沉降器過渡段開裂經歷以下4 個階段：

（1）第1 階段，筒體金屬組織球化損傷階段。過渡段筒體15CrMo 鋼長期處于500 ℃以上高溫環境，微觀組織逐漸發生珠光體球化損傷，由此導致筒體高溫持久強度逐漸下降。這一階段約占整體壽命的40%。

（2）第2 階段，筒體金屬高溫蠕變階段。過渡段金屬組織珠光體球化損傷嚴重后，高溫持久強度下降，在拉伸載荷作用下金屬逐漸產生緩慢的高溫蠕變，球化損傷和高溫蠕變嚴重區域主要集中在過渡段上部的弧形彎曲部位。這一階段約占整體壽命的50%。

（3）第3 階段，隔熱耐磨襯里開裂階段。過渡段筒體上部的弧形彎曲部位金屬蠕變到一定程度后，由于外壁水泥不能產生相應的變形匹配，導致其逐漸開裂，失去隔熱效果，造成筒體金屬超溫嚴重，不但加速了組織球化損傷和高溫蠕變速率，而且筒體金屬外壁氧化加劇，內壁也開始氧化，壁厚逐漸減薄。這一階段約占整體壽命的5%。

（4）第4 階段，筒體開裂階段。過渡段筒體上部的弧形彎曲部位，后期在外壁局部處的少數錨固釘甚至脫落，導致耐熱水泥脫落，由此加快了金屬蠕變和外壁氧化速率，壁厚減薄加快。最終局部最薄處發生開裂，帶油催化劑介質泄漏燃燒也加劇了超溫程度，筒體開裂逐漸向相鄰減薄區域擴展，造成筒體大范圍開裂，直至本次發現停產。這一階段約占整體壽命的5%。

4 維修措施

（1）整個生產停工檢修期間，排查沉降器其他部位筒體是否也發生組織球化損傷和壁厚氧化減薄情況，如有氧化減薄嚴重的全部更換。

（2）積極申請技改技措項目，建議筒體材料改為不銹鋼，以提高其高溫持久強度。

（3）沉降器筒體徹底更換時，如果仍用15CrMoR 耐熱鋼，過渡段壁厚增到18 mm 以上，并確定以10 萬小時為有限使用周期。

5 汽提段泄漏影響下的煙機結垢分析

5.1 情況說明

2018 年7 月11 日、8 月18 日共2 次，間隔一個多月，相繼出現自5 月4 日起再生器稀相局部溫度偏高及7 月9 日起待塞閥位、汽提段藏量出現大幅度波動等異常情況。

5.2 原因分析

結合檢修情況表明：自5 月初開始，汽提段過渡段處即發生穿孔泄漏，當時少量的待生劑進入稀相直接燒焦，后來隨著泄漏點的不斷擴大，大量的汽提蒸汽也隨待生劑進入再生器內部，再生器內高溫催化劑接觸相對較低的蒸汽后出現熱崩、破碎，導致煙氣中催化劑細粉急劇增加；同時大量蒸汽和未燒焦完全的催化劑進入煙機后，強化燒結作用，強化燒結后的垢塊在強度、硬度和厚度上顯著增加。這些因素的組合也是后期葉片結垢無法在線清除的主要原因。當時檢修解體時，堅硬的垢塊甚至用火烤升溫和電鎬敲擊都很難清除，只能返回原廠拆除后逐個進行噴砂處理（圖18、圖19）。

圖18 2018 年7 月份煙機結垢情況

圖19 2018 年8 月份煙機結垢情況

10 月19日后再生器又出現稀相溫度大幅度降低，但三旋入口、煙機入口出現升溫至695～710 ℃的異常波動情況。受超溫影響，煙機檢修復檢數據發現：動葉過渡襯環間隙呈不均勻分布，底部動葉葉頂間隙最小0.9 mm，上部最大2.8 mm。為確保煙機投用，出廠修理后最小間隙1.8 mm、最大間隙3.5 mm，標準數值為2.0～2.2 mm。煙機效率下降，每天少發電約10 000 kW·h。

在此次檢修中還發現煙機結垢中重金屬含量過高的問題（表1）。結合檢修發現，除了常壓電脫鹽效果不好的因素以外，另一個重要原因是：大量未經充分汽提的待生催化劑攜帶過量Na 等重金屬直接進入再生器頂部，并隨煙氣進入煙機，參與和強化葉片結垢進程，導致垢片的強度、硬度、厚度等超常變化，更不易在線和離線清除。

表1 平衡劑重金屬含量統計 μg/g

5.3 維修措施

解決汽提段開裂問題即可避免此原因引起的煙機入口超溫問題。