催化装置三旋出口烟气线泄漏原因分析

李 帅 ， 张振洁

(洛阳隆惠石化工程有限公司 ， 河南 洛阳 471012)

0 前言

烟气是催化裂化装置裂解反应后的副产物，烟机是催化裂化装置中利用烟气回收能量的重要设备之一，烟机入口管道也是催化裂化装置中重要的管道之一，如何做好烟机入口管道的设计与施工就显得尤为重要。目前，烟气轮机管道设计所遵循的嘴子受力标椎为尼玛标准。按这个标椎要求，嘴子允许承受的合力很小。而一般烟气轮机出口管道的介质温度较高(约720 ℃)，管径较大。此类管道设计条件苛刻，技术要求高，需考虑的问题复杂，尤其是烟气轮机进口管道的设计，施工的先后顺序，施工质量，都会直接关系到烟气轮机的正常操作和使用寿命。

1 装置概况

2019年烟气线大修以烟机发电为目的，对三旋出口至烟机管线应力进行重新核算，并对烟机入口水平段进行重新设计，增加1台万向复式铰链膨胀节，更新2台摆式支架，增加1台烟机入口滑动支架。同时将三旋出口至烟机前竖直段管线整体拆除、吊装，在地面对管线所有焊缝进行无损检测，对原包盒子管线进行整段管线更换，确保本体无焊缝裂纹等缺陷，保证了管线施工质量。装置开工后投用烟机，成功进入发电状态，平均发电功率-0.4MW。催化装置三旋出口烟气线使用温度700 ℃，设计温度750 ℃。2019年装置经过大检修，开工至今趋势可以看出，装置运行期间烟气线基本未发生超温。

2 烟气线泄漏情况

2019年8月，三旋出口烟气线大支撑下筒体西侧对接焊缝产生300 mm左右裂纹，膨胀节东、西铰链支座下部焊缝开裂泄漏。对3处裂纹进行在线堵漏，同时对泄漏环焊缝进行加强筋加固处理。2020年1月21日，炼油催化装置三旋出口膨胀节标高25 m处泄漏，拆除保温检查发现膨胀节东侧铰链上部支座横向焊缝裂纹，该处焊缝为铰链支座钢板直接焊机在筒体钢板上，非对接焊缝。在处理过程中，该膨胀节西侧铰链相同部位焊缝出现裂纹，同时伴随铰链支座下部筒体变形，筒体与波纹管焊缝开裂300 mm，现场漏点共计3处，通过膨胀节整体包盒子完成堵漏。在盒子周边四个方位增加4个DN200的阀门，用于在包盒子过程中烟气排放泄压。同时，盒子包完后在盒子上下和周围增加10 mm加强拉结筋，防止在运行受热过程中变形开裂。

2019年装置大检修开工后，三旋出口烟气线泄漏均在竖直段管线的东西两侧，且集中在大支撑至膨胀节一段管线。

3 泄漏原因分析

通过观察现场设备焊缝开裂形状，裂口均从外向内裂，排除内部腐蚀介质引起的应力腐蚀开裂，说明开裂只是由于应力造成的。三旋出口烟气线至烟机水平段共设计6个单式铰链膨胀节，只能吸收管线南、北向的管线振动和位移，东、西向则无法吸收。

分析三旋出口至烟机入口的膨胀节铰链热态受力：烟气管线冷态预拉后，水平段第一个膨胀节铰链应向上弯曲，待管线热态受力后铰链水平方向，而目前铰链向下，说明管系热态下存在较大压力，在压力作用下大支撑处管线西侧变形，导致铰链和波节与筒体焊缝开裂。同时，由于烟气管线与大支撑在2019年大检修期间焊死，烟气线无法竖直移动或水平滑动，故而导致烟机水平段和竖直段形成的自由端，在烟气流动和风载产生的应力在烟气线支撑根部聚集，导致烟气线在此处受力最大，最易在焊缝等薄弱部位产生裂纹或断裂。综合该烟气管道的操作条件，管道发生开裂的主要原因如下。

3.1 温度升高材料力学性能降低

304(1Cr18Ni9或0Cr18Ni9)系列的奥氏体不锈钢。随着使用温度升高，材料的力学性能降低。对于高温下使用的金属材料而言，一方面，材料晶界滑移和位错将会导致材料变形和硬化；另一方面，材料中金属原子的扩散等变化又使得材料硬化消除。材料在时间、应力和高温等因素共同作用下，“硬化—硬化消除”交替过程的结果导致金属内部出现多种形态的析出相，材料宏观型能不断劣化。此外，温度升高还会使材料的断裂方式有穿晶断裂形式过渡到沿晶断裂形式。当操作条件下管道内部应力高于材料的高温强度极限时，就可能因为材料的高温强度不足，导致管道发生强度失效。由此容易造成奥氏体晶粒粗化过热。粗大的奥氏体晶粒会导致降低不锈钢的韧性，脆性转变温度升高，会导致长期高温下的变形开裂倾向增高。当使用温度超过480 ℃时，选用304或304H应按蠕变工况需要校核部件高温持久强度。影响材料蠕变发生的最主要因素是材料使用温度和拉应力水平。

3.2 材料发生蠕变

金属材料金相组织不同，发生蠕变断裂的类型也会不同。对于奥氏体材料发生蠕变时，主要机制是在三叉晶界处萌生裂纹或形成晶界空洞。一般在相对高的应变速率和中等温度时，三叉晶界处萌生裂纹随后发展成楔形裂纹，低应力变速率高温度条件下则是形成空洞形式的开裂。研究人员对304系列以及多种结构钢包括各种合金钢及合金的高温抗蠕变性能进行了大量研究。在试验温度700 ℃时，304系列材料的高温持久极限已经很低，100 000 h的持久极限只有不到30 MPa。这时，如果烟气管道轴向拉应力水平高于其持久极限，则该管道的使用寿命会大大降低。

3.3 结构设计不合理

此段管道在结构上为6个单式铰链膨胀节的形式，该形式的膨胀节可以吸收较大范围内同铰链扭动方向一致的扭曲变形，但对于沿管道轴向变形的抵抗有较大限制，容易导致轴向产生较高的水平拉应力。在高温和较高的水平应力作用下，如果部件本身最初存在微弱的裂纹或缺陷，如：表面裂纹、各种金属化合物析出相、焊接缺陷等，都会使得蠕变断裂更容易发生，各部件的寿命使用也会大幅度降低。

4 改进方案

①重新核算冷态预拉量，做到热态应力抵消。择机在2019年设计的基础上，重新校核管系应力，增大管线冷态预拉量。②重新设计，将单式铰链膨胀节改为万向铰链膨胀节。考虑三旋出口至烟机入口竖直段，部分膨胀节由单式铰链型膨胀节，改造为复式铰链膨胀节。③改进膨胀节铰链形式，将铰链支座与筒体焊接面积增大，增加加强筋。通过改变铰链支座与筒体的连接方式，或者在原连接基础上通过增加加强筋的方式，增大铰链支座和筒体的连接强度，避免因焊接焊缝强度不高，导致出现焊接裂纹，引起泄漏。④增加管线支撑设计，使管线自重应力降低到最小。在烟道底部弯头水平处增设一个由200 mm×200 mm型钢组成的大支撑，使来自于管线自重应力的影响降到最低，避免由于自重应力的影响导致开裂现象。

5 结论和建议

管道开裂主要原因：①系统管线结构不合理，导致应力水平较高，同时，高温下长期使用的材料材质有明显劣化。②管道焊接接头部位较高的应力是裂纹扩展直至破裂的直接原因。③管道焊缝接头部位的焊接缺陷或其他原因所产生的微观裂纹是管道破裂的起始因素。建议：①应对该管系的应力进行全面详细分析，改造管系的结构(调整支吊架)和膨胀节设置，降低管系的应力水平。将材质升级并重新校核材质高温强度和高温持久强度，升级时，选材原则应兼顾材料的高温持久强度和抗敏化问题。②对于容易出现的问题和一旦出现问题有影响生产的部位应设置定期专人巡检检查点，有利于问题的出现能得到完善处理和顺利解决。