两段提升管FCC再生设备应力腐蚀裂纹成因分析及处理措施

朱伟

摘 要：通过对两段提升管催化裂化装置再生系统设备裂纹调查，分析了应力腐蚀裂纹产生的原因，并对应力腐蚀裂纹提出了解决的办法，消除了装置的设备隐患。

关键词：两段提升管催化裂化；应力腐蚀；裂纹；分析；措施

前言

山东石大科技集团有限公司20万吨/年两段提升管催化裂化装置自2002年4月改造并一次性开车成功，该技术由中国石油大学化学化工学院首次成功应用于工业化试验，由于一段提升管催化裂化为同轴式沉降——再生器结构，为了便于催化剂的流化，我们增加催化剂烧焦罐，这使得操作难度和水平有了不同程度的提高。运行后期两段提升管催化裂化装置的二段提升管、烧焦罐的外旋壳体、烟道管的弹簧支座等焊缝部位相继出现了大量穿透性裂纹，并出现漏风现象，严重威胁到装置的安全，平稳及长周期运行。为了解上述问题，设计科研单位对裂纹产生的原因进行了认真地调查和分析，生产车间和机动科对裂纹进行补救和处理，积累了大量的实践经验。本次对大量的基础数据进行分析研究，确认了裂纹产生的原因，并将采取的措施。

1 两段提升管催化裂化装置主要设备裂纹现状

1.1 主要设备

设备名称1：催化剂烧焦罐

主要尺寸：Φ1800/2200×9200mm×12

设计压力（表）：0.35Mpa 设计温度：750℃

操作压力（表）：0.15Mpa 操作稳定：650-700℃

介质：催化剂、烟气

设备名称2：外置旋风分离器

主要尺寸：Φ1000×5425mm×10

主体材质：15CrMoR

龟甲网材质：Ocr13 衬里：JA-95

耐磨层厚度：20mm

1.2 裂纹分布及状况

两段提升管催化裂化装置自02年6月投产，运行10年后相继出现了大量裂纹，其中催化剂烧焦罐烟道支座处筒体上共发现6条穿透性裂纹，这些纵向、横向裂纹的最长约为0.5m，且裂纹形状有条状和树枝状，分布极不均匀，随后在催化剂烧焦缸外旋筒体上的焊缝出现长约20cm的穿透性裂纹，该裂纹为纵向裂纹。

2 设备裂纹成因分析

2010年3月开始，首先在催化剂烧焦罐烟道弹簧支座筒体上发现有裂纹产生，当时对裂纹进行补焊加强处理，同时加强了对其它外表宏观裂纹的检查，检查时发现弹簧支座及筋板焊缝周围有大量的穿透性横向或纵向裂纹。现场补焊时裂纹向焊缝两侧的母材延伸，同时不断出现新的裂纹，通过对钢材的化学成分，显微组织，强度试验表明，这些裂纹呈现出典型的应力腐蚀裂纹形态，以下对应力腐蚀的原因进行详细地分析和说明。

2.1 烟气组分分析

由于这次设备开裂问题均发生在再生器烟气系统，如催化剂烧焦罐的外部旋风分离器，以及烟道，而反应器等设备却没有出现类似情况，因此，可以判断再生烟气中存在腐蚀性介质，我们对烧焦缸的烟气的主要成分和微量极性气体组分进行分析，分析结果如表1所示。

数据表示出导致设备开裂的烟气的共同规律：

（1）富氧操作，催化剂烧焦罐的烟气中过剩氧含量较大，一般大于390，烟气氧化性气氛较强，CO含量极少，几乎为零，相反，再生器处于相对贫氧状态，CO等还原性物质的含量较多。

（2）结果显示催化剂烧焦缸烟气中存在一定量的SO3，烟气SO3是由SO2转化来的，转化率的大小直接与烟气中的过剩氧含量有关。催化剂烧焦缸中过剩氧含量较多，对应与其烟气中SO3含量相对较多，SO3气体存在与否对于烟气酸露点温度的高低具有至关重要的作用。

（3）分析结果显示烟气中存有一定的NOX，其极易溶于水，加之烟气中有一定量的水蒸汽，在金属内壁遇冷至露点温度以下既会形成硝酸盐水溶液，而NO3-是极易引发低碳钢，低合金刚材料产生应力腐蚀的敏感阴离子。分析结果表明，只要存在低浓度的硝酸盐溶液，在一定条件就可以造成应力腐蚀破裂。

2.2 烟气酸露点腐蚀

催化剂烧焦缸烟气中的水蒸汽在设备金属器壁如果遇冷凝结成水，则烟气中的NO2，SO3，SO2等极性气体极易溶于水，形成酸性溶液，从而构成应力腐蚀开裂所必须的腐蚀介质和电化学反应条件，露点温度对催化剂烧焦罐烟气系统设备腐蚀问题至关重要。

烟气酸露点的温度高低取决于烟气中的水蒸汽的分压和SO3的浓度，如果设备壁温较长时间处于烟气酸露点温度以下，有可能在设备金属内壁表面结露，导致应力腐蚀裂纹的产生。经检测表明，发生裂纹的催化剂烧焦缸的酸露点温度较高，大致在120-140℃，而该罐的平均温仅为80℃，而壁温较低的部位正是裂纹集中发生的部位。

2.3 应力因素

催化剂烧焦罐烟道弹簧支座由于结构复杂，支座的底环板和顶环板之间所用筋板数量较多，为正常设计的2-3倍，焊接时在焊接部位产生很大的焊接残余应力，在外加载荷的作用下导致拉伸应力的产生，加速了应力腐蚀开裂。

总之，在现场焊接残余应力存在的情况下，如果没有经过焊后热处理，那么它的焊接残余应力水平是相当高的，在合适的腐蚀环境下，会造成设备的应力腐蚀开裂。通过焊后消除应力热处理，可以使焊接残余应力水平大幅降低。

3 催化剂烧焦罐裂纹的处理

（1）运行时采取的对策。运行时采取的对策即对裂纹进行常规补焊。a.对催化剂烧焦罐的外旋裂纹补焊16MnR补强板，减缓裂纹扩散。b.烧焦罐烟道弹簧与支座进行重新设计，更换弹簧支座位置并在筒体上焊保护性套管，减少底环板和顶环板间筋板的数量，对焊缝进行热处理。c.割除厚弹簧支座及各焊接加强板，减少开裂处筒体的受力情况，消除拉伸应力。

（2）大修时采取的修复措施。a.对于外旋裂纹进行打磨，视内壁衬里损坏情况进行修复，焊缝补焊处理。b.对于穿透性裂纹采取打磨，预热补焊的方式进行处理，打磨的母材距离裂纹的两端不得小于20mm，同时采用圆形或椭圆形予以圆滑过渡，以减少应力集中。c.补焊工作全部结束后，表面探伤合格，100%X射线探伤合格。

4 修复使用效果

自2013年5月投入使用以来，该设备没有出现类似裂纹，装置运行良好。采用打磨，预热补焊的方法修复能有效解决应力腐蚀开裂问题。同时，更换弹簧支座，减少焊接应力，并进行焊后热处理也能修复应力腐蚀开裂的难题，采用这些方法处理大量裂纹既消除了设备隐患，又大大缩短了检修处理工期，节约了大量资金，可供同行业参考。

参考文献

[1]龚宏，金桂兰.应力腐蚀开裂及其对策[J].石油化工腐蚀与防护，1999，10.

[2]杨德凤，刘凯，张金锐，等.从催化裂化烟气分析结果探讨再生设备的腐蚀开裂[J].石油炼制与化工，2001，32（3）：49-53.