CBL型裂解炉急冷锅炉入口锥体的腐蚀与防护措施

王钦明

(中国石油辽阳石化分公司烯烃厂，辽宁 辽阳111003)

二十世纪七十年代初某公司从法国成套引进辽化乙烯装置，1979年建成投产，原设计聚合级乙烯产能72.8 kt/a，经过改进，于2007年装置设计乙烯产能由120 kt/a提高至200 kt/a。辽化乙烯装置共有6台裂解炉，其中2台CBL型裂解炉位号分别为21F110和21F111，21F110炉为CBL-Ⅱ型裂解炉，乙烯产能40 kt/a。2019年为适应原料轻质化需要进行改造，改造为HS-Ⅰ型裂解炉，改造后裂解炉加工能力保持不变，只是由原来加工液相进料改为加工气相进料，改造范围包括辐射段炉管、对流段管束以及其他附属系统，而原第一急冷锅炉利旧，其使用时间已经超过25 a；21F111炉为CBL-Ⅳ型裂解炉，乙烯产能60 kt/a，自建成投产后一直在用，未经过改造更新，第一急冷锅炉使用时间超过20 a。

1 概 述

CBL型裂解炉第一急冷锅炉结构为套管式，规格为φ245 mm×11 616 mm，属Ⅲ类压力容器，工作压力：管程为0.2 MPa，壳程为12.5 MPa；工作温度：管程为570～860 ℃，壳程为328 ℃；介质：管程为裂解气，壳程为水和水汽。环形连接件的规格为φ245 mm×22 mm×90 mm(外径×壁厚×长度)，材质为15CrMo。入口带叉锥体的规格为φ112 mm—245 mm×230 mm(小头外径—大头外径×长度)，材质为Incoloy800。

2019年6月，辽阳石化分公司烯烃厂乙烯装置(以下简称辽化乙烯)停产大检修期间，对整个装置进行腐蚀检查，在检查过程中发现装置内2台CBL型裂解炉辐射段出口、第一急冷锅炉入口锥体蒸汽入口侧有高温氧化腐蚀现象。

腐蚀检查过程中发现21F111第一急冷锅炉第1台、第2台锅炉入口锥体蒸汽入口附近存在高温氧化腐蚀，锥段高温腐蚀处外表面存在氧化皮局部脱落现象，局部呈黑灰色，氧化皮脱落处存在减薄(如图1所示)。第1台锅炉最小壁厚 22.4 mm，第2台锅炉腐蚀严重，存在氧化皮大量脱落现象，最小壁厚14.2 mm，而其他锅炉入口锥体无腐蚀部位壁厚在24 mm左右。

图1 21F111入口锥体氧化腐蚀情况

21F110第一急冷锅炉第1—4台锅炉入口锥体均存在不同程度的高温氧化现象，第2台锅炉入口锥体蒸汽入口附近筒体存在较严重高温氧化腐蚀，高温腐蚀处存在氧化皮脱落现象，如图2所示。氧化皮脱落处壁厚18.0 mm，其他锅炉入口锥体无腐蚀部位壁厚在22 mm左右。

图2 21F110入口锥体氧化腐蚀情况

2 腐蚀原因探讨

2.1 高温氧化腐蚀机理

金属在高温下与其周围环境中的氧发生反应形成金属的高温氧化。高温腐蚀并没有严格的温度界限，通常认为当金属的工作温度达到其熔点(绝对温度)的30%～40%时，就可认为是高温腐蚀环境。在高温气体中，金属的氧化最初是化学反应，但膜的成长过程则属于电化学机理，因为金属表面膜已由气相变为半导体氧化膜。熔化或半熔化状态的碱金属以及氧化膜，会与再热器、过热器的合金钢发生强烈的氧化反应，使壁厚减薄、应力增大，引起管子产生蠕变，管壁进一步减薄，最后导致爆管。氧化膜的结构很复杂，有的是多层的。高温腐蚀与温度有关，腐蚀从550～620 ℃时开始发生，在750 ℃时腐蚀速率最高[1]。除了氧外，CO2，H2O，SO2，H2S也可以引起高温腐蚀，其中耐热钢的高温腐蚀多数是由于蒸汽引起的。

2.2 入口锥体的结构特点

21F110和21F111同为CBL型裂解炉，它们的急冷锅炉入口锥体结构十分相似，只是在尺寸上有所差别，并且两台裂解炉急冷锅炉入口锥体腐蚀开裂情况相同，因此将21F110和21F111作为一个整体进行分析。

急冷锅炉入口锥体的结构主要由入口带叉锥体、蒸汽入口接头、环形连接件和保护管组成，入口带叉锥体、环形连接件和前连接件是通过焊接连接的；保护管和内管之间没有通过焊接、螺纹等方式连接，它们之间是相互接触的，并且留有缝隙。这一结构的主要作用是降低整个入口锥体的温度，防止锥体金属温度过高而发生损坏。自辐射段来的840 ℃左右的裂解气从锥体下方进入锥体，840 ℃超过急冷锅炉所耐受的最高温度，因此需要通过入口锥体迅速降低锥体的温度[2]。

2.3 锥体损坏原因分析

2.3.1 保护蒸汽流通不畅

在检修入口锥体时，发现损坏的锥体有一个共同点，锥体内部有大量的结焦物、锈蚀物等，入口锥体上的蒸汽入口接头堵塞。由于结焦物、锈蚀物的存在造成蒸汽管线或者锥体腔体内堵塞不畅通，影响了蒸汽的流通，裂解气传递过来的热量不能及时带走，进而锥体超温。锥体超温后，材质为15CrMo的环形连接件晶体结构不稳定，铁元素和空气中的氧气在高温下发生剧烈的氧化反应，层层剥离，造成入口锥体因高温氧化腐蚀而损坏。

2.3.2 保护蒸汽偏流

根据入口锥体的结构可以看出，正常情况下内管与保护管之间的环形缝隙是均匀的，而且缝隙很小，通过限制保护蒸汽的流量，维持锥体腔体内的压力，通过保护蒸汽与锥体管壁接触带走热量，从而保证锥体各部位温度均匀，防止局部过热。由于高温、氧化、疲劳、冲刷等原因，会造成与内管相配合的保护管发生变形或者破损，这时内管与保护管之间的环形缝隙局部变大，导致蒸汽偏流,锥体内部保护蒸汽的压力便不能维持恒定,保护蒸汽与锥体管壁之间的接触不充分，热量不能被带走，造成锥体局部过热，进一步加剧锥体变形，最终导致锥体因局部超温而损坏。由于裂解炉运行过程中炉管内部结焦等原因，锥体的保护管向着裂解气侧会不同程度的结焦挂壁，结焦物为致密的炭层，这些结焦物附着在保护管壁上且不均匀，从而产生热应力，导致保护管发生变形，锥体腔体内保护蒸汽便会发生偏流，不能有效带走锥体的热量造成锥体局部过热而损坏。

2.3.3 保护蒸汽系统

在系统运行中，尤其是寒冷的冬季，因管线冻凝、带液、泄漏等原因，造成保护蒸汽系统入口蒸汽短暂中断，锥体腔体内保护蒸汽压力下降，保护管中的裂解气便会进入到腔体内，这时内管与保护管之间的环形缝隙就可能被裂解气中的结焦物堵塞或者部分堵塞。虽然蒸汽流通正常，但内管与保护管之间的环形缝隙堵塞，蒸汽的流通通道发生改变，锥体腔体中部分位置的蒸汽并没有流动，便会发生锥体局部超温[3]。

3 防护措施

3.1 定期进行在线温度监测

定期对锥体进行温度监测，只要锥体各部位温度均匀，不超温，没有局部过热点，就说明锥体运行状态良好。对锥体温度监测可以采用红外测温仪进行测温，并做好记录，便于数据积累与对比；也可以在光线暗的时候通过肉眼观察锥体的颜色，正常情况在线锥体运行时的颜色应该是暗红色，如果局部有超温的话颜色会变亮。

3.2 蒸汽系统的维护保养

急冷锅炉入口锥体的保护蒸汽系统非常重要，系统运行的状态直接影响锥体的使用状态与寿命，因此一定要保证保护蒸汽系统运行良好,裂解炉下线的时候，检查蒸汽线断口，管线是否堵塞或有异物，通入压缩空气或氮气对保护蒸汽系统进行吹扫,急冷锅炉内管中介质的温度超过 550 ℃ 时严禁切断入口锥体的保护蒸汽，因为这样会造成锥体的保护管、折流管高温氧化变形，造成锥体腔体内蒸汽流通不均匀，最终致使整个锥体高温氧化腐蚀而损坏。

3.3 锥体检修时的注意事项

检修时一定要注意保护管的安装精度，确保保护管与内管之间的环形间隙一致，偏差不大于0.5 mm。锥体外部不保温，这样可以有效地散热，降低锥体温度，延缓锥体氧化腐蚀，另外还便于日常对锥体温度进行监测。保证入口带叉锥体排液孔的畅通，否则降温过程中蒸汽凝液无法排放，积聚在锥体腔体内，导致锥体内部积垢、结焦，影响保护蒸汽流通。

4 结 语

从急冷锅炉入口锥体的结构、原理上分析锥体高温氧化腐蚀产生的原因，从而给出相应的防护措施。急冷锅炉入口锥体结构特殊，运行中不便于直接观察到锥体内部的运行情况，应采取间接的方式监测急冷锅炉入口锥体的运行状态，保证裂解炉正常运行，避免因锥体高温氧化腐蚀损坏导致裂解气外漏事故的发生。