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1、1 9 9 8 年9 月 材料保护 第3 1 卷 第9 期 9 彳 一 ( 催 化 裂 化 膨 胀 节 失 效 分 析 与 防 护 对 T ) ，。 ； 石化兰州设备失效分析及预防研究中 1 ( 7 3 0 0 5 0 ) 郭志军 周建军丁晓鹏钟彦平 n 一 丁 7 J、 摘 要 炼油厂 催化裂 化装置中 的膨胀节 是影响催化裂化装置提升管反应器、 烟机、 高温取热 炉等安全和连续生产的 I 关键部件 。近年 来由于膨胀 节频繁 出现腐蚀 失效 、 严重影响 了装置 的安全 和连续生产 。为此 ， 综旮分析 了其失效原因 ， 提 出 1防腐蚀方案 。 主 题 词 苎 ! 型堡 些塾 丝 ! 堕
2、 叁 塾 坌 堑 也 拳 f 炼 油厂 广泛 应用 的催化 裂化装置 中的 波纹 管膨胀 节是影响 催化裂化装置提 升管反应 器 、 烟 机 、 高 温取热炉 等安全 和连续 生 产 的关键部件 。由于系境 操作温度高( 可选 7 5 0 1 1 0 0 C) ， 且常 有变化 ， 膨胀节在露点 温度 下运 行 又 固物 料及膨胀节 内的填 充 物 中常台有氯 化物 、 硫化 物及其 次 生的连 多硫 酸等 腐蚀 眭物 质 及膨 胀节在较高 的应力 下运行 ， 而 使 1 8 8型奥 氏体不锈钢 波纹 管很快 产生应力腐蚀 开裂或 点蚀 穿孔 造成失效 。过 去解决这 些 问题 的方 法是现
3、场 补焊 、 高温 胶泥 封堵 、 包 盒子 ， 但仅 能应付 一 时 下面叙述解决嘭胀节腐蚀 问题 的方 法 1 腐蚀情况 ( 1 )提 升管反应器 膨胀 节此 为 自由式 黪胀节 ， 设在提 升管 进 口喷 嘴 下 主管 线上 ， 参数 为 ： 设计 压力 0 3 MP a 介质 温度 6 7 O 7 5 0； 波壳设 计 温度 3 5 0， 介 质组 分为 烟气 、 蜡 油 ( 气 态 ) 、 催化 剂粉 尘 ； 嘭胀 节 为单 层 5波 、 通 径 D N8 0 0 m m， 壁厚 2 mm、 补偿量 轴向 2 2 2咖n、 侧向 4 1 ram； 波纹管和 导流筒材 质为 0 Cr
4、1 8 N i 9 T i 。该嘭胀节使用 三个月发生泄耩 ， 在第一波 谷环向出 现 1 6 0 mm 长 的裂 纹 现场采 用密 封胶 加包 盒子 方法 作应 急 处 理 。 由于停车开车操作 中温度 急剧变化 ， 其上又产生 了大 量新裂 纹 ， 原有裂纹 又扩大 ， 补焊处焊缝也产 生一条大 裂纹 ， 焊接 热影响 区发生龟裂 。 ( 2 )烟机 出 口嘭胀节它为复式 万 向膨胀节 ， 前连接 8 0 1 炉 换热器 ， 参数 为； 压力 0 ， O 1MP a 、 介质温度 6 6 0 、 波壳温 度 3 5 0 、 介质为步量 催化剂和 烟气 补偿量 为轴 向 2 8 mm、 侧
5、向 2 6 2 mm； D N 1 6 0 0 mm、 2 2渡 、 壁 厚 2 mm、 波 纹 管 材 质 为 0 Cr l 8 Ni 9 T i ， 导流简材质 为 l C r l 3 。 该膨胀节使用约 半年 ， 靠换热 器一侧出现大面积裂纹 。 经堵漏和朴焊后 ， 又出现新的裂纹， 其 长 度超过 原有 裂纹 。该 膨胀 节采 用蒸汽 吹扫 ， 停工 后裂纹 扩展 加 速 ( 3 )重油 催化 裂化 装置 高温取热 炉 中间连通管 线膨胀节 其参数为 ； 压力 0 0 2 5 0 0 3 0 MP a 、 介质温度 5 0 0 5 5 0、 波壳 温度 8 0、 介质 同( 2 ) ；
6、 波纹管 材质也 为 0 Cr l 8 N i 9 T f 。 。 使用 中发 生点蚀泄漏 ， 采 用高 温胶泥封堵 直至 发生多处泄 清 ， 并产生裂纹 而 失效 ， 期间 由于各 种原 因停 车多次 ， 累积运行 约 1年。 ( 4 )1 2 0 l O t 重油 催 化裂 化 装置 膨胀 节 工 作 压力 0 7 MP a 、 介 质 同 ( 2 ) 、 介 质温 度 7 0 0； 波 纹 管材 质 为 Mo Ti i D N 2 6 0 0 mm、 壁厚 3 4 mr n 嘭胀节运行 5 O天发 生破 裂 并引起燃 烧 。 ( 5 )1 6单元 催化 裂化 再生斜管嘭胀节工作压力 0
7、8 MP a 、 介 质同 ( 2 ) 、 介质温度 6 5 0 c； 波纹 管温度 4 O 7 0、 波纹管材 质 为 Mo 。 Ti 。嘭胀节 在运 行中发生泄耩 用高温胶 泥封堵直至无法 使用 ， 累积运行 4 O天 ( 6 ) 后 置 烧 焦 罐及 提 升管 反 应器 膨胀 节膨胀 节 材质 为 0 Cr l 8 Ni 9 T i ， 累积运行 1 ， 5 年 ， 中间经 历 4次停车 ， 每次 停车 1 2个月 ， 最后一次开 车以 5 h升温至 8 O h时波纹管出现泄 据 检查发 现 ， 烧 焦罐 膨胀节在波峰与波面过渡处出现数条纵 向 裂纹 ， 最 长约 3 0 mm； 提升管
8、 反应器嘭胀节在波谷 处出现一 条环 向裂纹 长约 1 6 0 mm 同时有点蚀发 生。 2 失 效分析 2 ， 1 位移殛工作压力对睁胀节应力分布的影响 用有限元方对 8种嘭胀节在 9 种状态下 进行 了应 力分 布 参考文献 1 许淳荐 何珂 吴永折 等 1 C r l g Ni g Ti 不锈 钢形变诱 发马 氏体 相变 规 律及其对孔蚀敏感性的影 响， 中国腐蚀与 防护学报 ， 1 9 9 6 t 1 6 ( 1 ) 4 7 许 淳津 髋 田维 真 ， 棘瑞 芬 等 1 C r l g Ni 9 T i 不 镑 钢在 氯 化物 溶 液 中 S CC敏感性 与铁磁 相吉量 的相关性 中国
9、腐蚀 与 防护学报 ， 1 9 9 7 ， 1 7 ( 1) 7 3 3 许淳淳 榇瑞芬 ， 欧 阳维 真等 用交 流阻抗法研究形 变诱发马氏体相变 的 1 Cr 1 8 Ni 9 T i 不锈锕 在酸性 Na C I 藩液 中的孔蚀镀感性， 腐蚀科学与 防护技术 ， 1 9 9 7 ， 9 ( 2 )9 5 4 U h l i g H H r Gi I ma n J R Pi t t i n g o f 1 9 9 S t a i n l e s s St e e l I n Fe r r i c 、 Ch l o r i d e I a hih i t e d hy Ni t r a t
10、e s ，Cor m s i o a， 1 9 6 4 9 0 ：2 8 9 5 柄德钧， 李方 ， 张文奇， 甩 AE S和 E P MA研 究 P e q ： r 台盒钝 化膜和 蚀 孔 内壁的组成特征 中国腐蚀 与防护学报 ， 1 9 8 5 ， 5 ( 4 )t 2 8 4 9 刘仲 阳 王培录 ， 姜景 云 离子 束动态混合 c r 处理 后 GC r l 5钢表面的 组织及 耐蚀性 研究 腐蚀 科学与防护技术， 1 9 9 4 ， 6 t 4 )t 2 9 4 7 Ha n ni a e n H E ，I a flu e n c e of M e t a l l u r gi c
11、a l Va fia h l e s 0 n En v i r o n m e n t - s e n s i t i v e Cr a c k i n g o f Au s t e n l t i c Al l o y s ， M e t a l s R 1 97 9 24 t 8 5 8撩瑞芬等1 Cr l 8 Ni 9 T 不锈钢 的马氏体相变 量与孔蚀敏感性 的相关 性研究 腐蚀科学与 防护技术， 1 9 9 8 ( 4 ) 1 9 7 ( 收稿 日期1 9 9 8 0 4 0 5责任缩辑张帆) 维普资讯 http:/ 1 0,S e p 1 9 9 8 M ATERI ALS PR0
12、TECT1 0N V o 】 3 I N o 9 计算 单元选用 AN S Y S单元库 中第 9 l号 单元 ， 即多层壳 单元 ， 每个单元有 8十节点 ， 模型未作 任何简化 ， 取边 界条件 时考 虑了 加强囝的影响 。 整个模 型划分为 2 0 0 0或 2 0 l 6 个单元 ， 节点为 6 0 4 0或 6 0 9 6个 。 计算结果表明： 原膨胀节l住设计参数下使用时， 如不考虑渡 纹管 的侧 向位移补偿 ， 其表 面昂大应力 值为 1 1 0 2 2 0 MP a ， 接近 材料的屈服强度； 当考虑到侧向位移补偿时( 补偿量远低于设计 许 用值 ) ， 昂大应 力值 都大大
13、超过 了材料 的屈 服强 度 ( 达 3 5 O 7 1 0 MP a ) ， 达到或超过抗拉强 度， 其 中较厚波纹管 壁的应力值也 较 大， 极小的侧 向位 移就可导致应力值 的急剧 上升。这 就意味着 波 纹管 安装和使用 中产生的位移使 波纹管 的波峰和 波谷表面发 生大面积的塑性变形区， 使材料的抗蚀性能严重劣化 塑性变形 导致系统升温波纹管被压缩时 ， 波谷内表面受拉应力， 波峰内表 面受压应力 当系统降温波纹管被拉伸时 波谷内表面受压应 力 ， 波蜂内表 面受拉应力 。这是波纹管的波峰和波谷都发 生应力 应变腐蚀开裂 的重要 原因 。 计算还表明， 降低波纹管的壁厚、 采用薄壁双
14、( 或多) 层波纹 管可降低其工作应力， 介质压力对波纹管表面的应力影响较小， -原设- t 的波纹管允许位移特别是侧向位移值过太时。 2 2 腐蚀形貌丑产 物 2 2 1断口 从失 效的膨胀 节来看 ， 各个方 向、 部位 上都存在 裂纹 开裂 部位 的 内壁 通常被 一层厚 度不均 的黄绿 色 或褐 色结 垢层 所 覆 盖 ， 垢下布满点蚀坑 ， 并形 成嘲状裂纹 。断 口表面失 去金属光 泽， 粗糙 ， 无塑性变 形特征 。电镜观 察可 见裂 纹穿晶扩展 呈 羽毛状 洋 ， 有 树枝状分叉特 征 ， 断面上有较多 的二次裂纹 ， 补焊热影响区 存在沿晶断裂形貌 。盒相分析发现 ， 波纹管
15、局部出现了异常的板 条状马氏体组织 ， 沿 晶界分布的台金 碳化物 ， 基体组织 敏化 ， 有多 条沿晶裂纹 。这说 明局部变形 量较大 ， 存在很 大的残余 应力 ， 加 热和冷却 ( 如焊接 ) 将 污发组 织生产应 变马 氏体 ， 使 晶粒 粗大 ， 内 应力 大 ， 硬 度高 【 显微 硬度 HV4 9 3 ) 受到 基体组织 约束 ， 产 生裂 纹， 从而提高 了膨胀 点蚀和应 力腐 蚀的敏 感性 2 2 2内壁结垢物及断 口表面成分 试样 内肇和 断 口上的 垢样 一 般呈黄 绿 色或 褐色 ， 用 S E M E DA X能谱 分析 表 明， 垢样和 腐 蚀产物 主要成 分 为不
16、锈钢 基体 组分和催化剂 ， 有 明显 的硫和 ( 或 ) 氯 富积 ， 硫 含量 最高达 4 6 ， 氯含 量最 高达 5 。对 用户工艺和膨 胀节 内衬材料 的分 析知道 ： 氯元 素主要来 源于 催化剂 ( 该催化再生时通常采 用盐 酸浸泡) ， 波 纹管 内衬 的低氰 玻璃 纤维也 可能有 微量 的氯 离子溶 出 ； 硫 元 素 主要来 源于烟 气 2 3 失效 机理 ( 1 )使用 环境 与材 料组 台 不合理波纹 管膨胀 节的使 用环 境是 典型的导致 奥氏体 不锈钢点 蚀和应 力腐蚀 的环 境 当波纹 管在 露点温 度下工 作时 硫化物 与介 质 中的水 分作用 生成 连 多 硫
17、酸 ， 有氯离子溶出 。某些 采取蒸汽隔热和吹扫的膨 胀节更加剧 了有害组分 的溶 出， 在应 力作用 下 导致波纹 管快 速发 生应 力腐 蚀开裂 ( 2 )耐磨隔热层和 膨胀 节结 构不台理 有些 膨胀节 是用超 轻硅 酸铝 纤维棉隔热 材料制作 ， 外包钢 丝 网， 导流筒 的开 口没 有 采 取密封保护措施 使 用中高温 介质 的冲刷 使硅 酸铝 纤维 棉粉 化失去作用， 介质侵入到波纹管和导流筒之间， 在波纹管 内壁结 垢 ， 结 垢严重 的部 位腐 蚀也相对严 重 此外 裂纹 主要 分布在硅 酸铝纤 维棉与 波纹 管接触 的部位 ， 这 说 明耐磨 隔热 层对波纹 管 有腐蚀作用
18、( 3 )应力作 用 波纹管 在运行 中其波峰 和波 谷表 面 的应 力 值一 般都 超过 材料 的 屈服强 度 甚 至达 到 或超 过抗拉 强 度 o -b 。从裂纹分布也 可看 出， 残余应力也是导 致波纹管开裂 的重 要 应力来源 。 ( 4 )补焊作 用膨胀 节的裂纹处发生 泄漏 ， 一般采用 补焊堵 挡 ， 虽 可暂 时止漏 ， 但 也使波纹管 对晶 问腐 蚀 和应力腐蚀敏感性 大大提 高 造成裂纹扩展进一步加速 ， 产生更多 的新 生微裂纹 3 腐蚀防护与对策 3 1 材 料处 理 ( I ) 选用耐蚀材料用 F N 2台金制 作 的催化裂化装置膨胀 节较好 ， 能耐 稀硫 酸均匀
19、腐蚀 、 晶间腐蚀 、 缝隙腐蚀 、 抗 氯化物及 连多硫酸应力腐蚀 。F N一 2 台金还具有 良好的焊接性能和机加工 性能 ， 适台于制 造波纹管 ， 但点 蚀失重率 、 蚀孔直径和 深度较大 ， 点蚀密度也较大 ( 2 )对材料作表面处理奥氏体不锈钢经表面转化膜处理 或化学镀 非晶态镰 磷处理可 大大提 高其抗点蚀和应 力腐蚀 的能 力 3 2 改进波纹管结构， 合理安装及使用 ( I )减少波纹管的壁 厚或 采用薄壁多层以 降低其波峰、 波谷 的表面应 力值 ， 使壁厚 与表 面应 力呈正 比， 相同壁厚 的双层波纹 管的表面工作应力值要 比单层低 2 O ， 6 。 ( 2 )增加波
20、纹管波数和波高以降低其工作应力 ( 3 )尽量降低波纹管安 装和 使用时的侧 向位 移， 或采 用适 当 的预应变措 施以大大降低其工作应力 。 ( 4 )提 高波纹 管 的使用温 度 ， 改变 波纹 管 隔热层 的设 计参 数， 使其工怍温度在露点 温度 以上 在开 、 停 车操作中应使其尽快 通过露 点温 度 ， 减少波纹管 的露点腐蚀 。 ( 5 )改进 膨胀 节导流筒的 密封结构 ， 减 少介质侵 入波纹管 ， 避免波纹管 内壁结 垢 ( 6 )尽 可能使隔热层不 与波纹管接触 3 3 改善膨 胀节 的使 用介质环境 介质 中的硫 、 氯 元 素是 导致波纹 管快 速失 效的主 要有 害元 素 ， 在工 艺中应尽可能地减少这些有害元素 3 4 液压一次成型 这 种技术 可改 善波纹 管 内壁 的表 面 质量 ， 降低波 纹管 的残 余应力， 有利于提高材料的抗点蚀和应力腐蚀能力。 ( 收稿日期1 9 9 8 0 3 3 l 责任编辑榇军) 维普资讯 http:/