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（中國石油化工股份有限公司石家莊煉化分公司，河北石家莊，050099）

摘 要：在催化裂化裝置中，反再系統(tǒng)高溫管道普遍應(yīng)用金屬波紋管膨脹節(jié)以補償其膨脹變形位移。其中，再生器至三旋煙道膨脹節(jié)常出現(xiàn)泄漏問題，嚴重影響催化裂化裝置安全平穩(wěn)運行。本文介紹了催化裂化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)應(yīng)用的概況，概述了膨脹節(jié)發(fā)生泄漏的原因，并以某催化裝置膨脹節(jié)泄漏故障為例進行了原因分析，明確了煙道降溫噴水的主要影響，闡述了在線包盒子臨時處理方法及后續(xù)處理措施。

關(guān)鍵詞：催化裂化 再生器 三旋 煙道 波紋管膨脹節(jié) 泄漏

前 言

在催化裂化裝置中，反再系統(tǒng)高溫管道普遍應(yīng)用金屬波紋管膨脹節(jié)以補償其膨脹變形位移。膨脹節(jié)應(yīng)用部位如再生斜管、待生斜管、外取熱器下斜管、再生器至三旋煙道、三旋至煙機煙道、煙機出口煙道、三旋至降壓孔板煙道、降壓孔板至余鍋煙道等。對于再生器至三旋煙道這一部位應(yīng)用的膨脹節(jié)，由于煙氣介質(zhì)溫度高、流速快、且易形成腐蝕環(huán)境，常出現(xiàn)泄漏問題，嚴重影響催化裂化裝置安全平穩(wěn)運行。

1 催化裂化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)應(yīng)用概況

再生器至三旋煙道膨脹節(jié)應(yīng)用類型有復(fù)式鉸鏈型、復(fù)式拉桿型、復(fù)式拉桿帶比例連桿型、萬向鉸鏈型等。膨脹節(jié)波紋管材質(zhì)多選用Inconel、Incoloy耐蝕合金鋼或18-8系奧氏體不銹鋼。表1-1所示為部分催化裂化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)應(yīng)用的概況：

表1-1 部分催化裂化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)應(yīng)用概況

再生器至三旋煙道管系一般為平面“Z”形彎管型式，如圖1-1。這種管系的熱膨脹變形常通過復(fù)式鉸鏈型、萬向鉸鏈型膨脹節(jié)的角位移或復(fù)式拉桿型、復(fù)式拉桿帶比例連桿型膨脹節(jié)的橫向位移來吸收^[1]。其中，復(fù)式鉸鏈型膨脹節(jié)由中間管連接的兩個波紋管及銷軸、鉸鏈板和立板等結(jié)構(gòu)件組成，只能吸收一個平面內(nèi)的橫向位移及角位移并能承受波紋管壓力推力。萬向鉸鏈型膨脹節(jié)由一個波紋管及銷軸、鉸鏈板、萬向環(huán)和立板等結(jié)構(gòu)件組成，能吸收任一平面內(nèi)的角位移并能承受波紋管壓力推力，這里通常設(shè)置兩個或多個萬向鉸鏈型膨脹節(jié)。復(fù)式拉桿型膨脹節(jié)由中間管連接的兩個波紋管及拉桿、端板和球面、錐面墊圈等結(jié)構(gòu)件組成，能吸收任一平面內(nèi)的橫向位移并能承受波紋管壓力推力。復(fù)式拉桿帶比例連桿型膨脹節(jié)（如圖1-2）是復(fù)式拉桿型和比例連桿復(fù)式自由型膨脹節(jié)的結(jié)合，由中間管連接的兩個波紋管、復(fù)式拉桿、比例連桿等結(jié)構(gòu)件組成；比例連桿起到平均分配兩組波紋管位移的作用，中間管的重量也由比例連桿來支承，此外比例連桿裝置還有一個非常重要的作用就是改善了管道的振動特性；而波紋管的壓力推力則由拉桿裝置來吸收；復(fù)式拉桿帶比例連桿型膨脹節(jié)只能吸收橫向位移^[2]。

圖1-1再生器至三旋煙道管系                                                        圖1-2 復(fù)式拉桿帶比例連桿型膨脹節(jié)

對于再生器至三旋煙道，由于煙氣溫度高、組分復(fù)雜，波紋管既要承受高溫下的化學(xué)腐蝕（氧化及敏化），又要面對潛在的低溫?zé)煔怆娀瘜W(xué)腐蝕及應(yīng)力腐蝕^[3]。再生器至三旋煙道膨脹節(jié)波紋管材質(zhì)多選用Inconel625、Incoloy825、Incoloy800或321奧氏體不銹鋼。表2-1所示為膨脹節(jié)波紋管不同材質(zhì)的化學(xué)成分^[4]。

理論上，隨著含鎳量的提高，抵抗硫、氯離子的應(yīng)力腐蝕抗力也相應(yīng)提高，因此制造膨脹節(jié)波紋管的材料，在滿足高溫性能的基礎(chǔ)上，從含鎳9-12%的18-8系奧氏體不銹鋼，含鎳30-35%的Incoloy800，含鎳38-46%的Incoloy825到含鎳大于60%的Inconel625，逐步升級。因此，Inconel625和Incoloy825是其中綜合性能最優(yōu)的材料。Inconel625是Ni基Cr-Ni-Mo高溫合金，并加入了穩(wěn)定化元素Nb，具有良好的耐高溫、抗敏化和抗硫酸、連多硫酸及氯離子應(yīng)力腐蝕的能力；Incoloy825是鈦穩(wěn)定化處理的全奧氏體Ni-Cr合金，并添加了Cu和Mo，具有良好的耐應(yīng)力腐蝕開裂、耐點腐蝕和縫隙腐蝕、耐氧化性和非氧化性熱酸等性能。在高溫性能方面，Inconel625適用于催化裂化裝置650℃以上高溫部位，如再生斜管、待生斜管、外取熱器下斜管、再生器至三旋煙道、三旋至煙機煙道、三旋至降壓孔板煙道等；相比之下，Incoloy825更適用于550℃以下的部位，如煙機出口煙道、降壓孔板至余鍋煙道等。

表2-1 膨脹節(jié)波紋管材質(zhì)的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)%）

經(jīng)調(diào)研，再生器至三旋煙道膨脹節(jié)易發(fā)生泄漏問題。一旦發(fā)生泄漏，裝置將被迫降低處理量和再生壓力，采取在線包盒子的方法進行臨時堵漏處理，帶缺陷運行至裝置停工檢修時對該膨脹節(jié)進行更換。如：2014年某100萬噸/年催化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)（復(fù)式鉸鏈型）波紋管出現(xiàn)泄漏，在線包盒子處理，裝置檢修時進行更換；2010年、2015年某100萬噸/年催化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)（復(fù)式鉸鏈型）波紋管出現(xiàn)泄漏，在線包盒子處理，裝置檢修時進行更換；2020年某220萬噸/年催化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)（復(fù)式拉桿帶比例連桿型）波紋管出現(xiàn)泄漏，在線包盒子處理，裝置檢修時進行更換。

2 再生器至三旋煙道膨脹節(jié)波紋管泄漏原因概述

分析膨脹節(jié)波紋管泄漏的原因，除了設(shè)計選型不當(dāng)、制造缺陷、安裝施工質(zhì)量、蠕變失穩(wěn)、疲勞破壞等原因外，還有腐蝕破壞、沖刷侵蝕等。

煙氣中含有一定量的水蒸氣，煙氣進入波紋管與導(dǎo)流筒的空隙后，可能在波紋管內(nèi)部降到其露點溫度以下，形成冷凝水。而煙氣中的SO₄^2-、SO₂、NO_x等極性氣體極易溶于水，形成酸性溶液，構(gòu)成產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的腐蝕介質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)條件，從而使波紋管發(fā)生腐蝕。煙氣露點溫度的高低取決于煙氣中水蒸氣分壓和SO₄^2-、SO₂、NO_x等的濃度，當(dāng)煙氣中的SO₄^2-、SO₂、NO_x等與水蒸氣結(jié)合形成酸蒸汽，可將煙氣露點溫度提高到180 ℃。而且，膨脹節(jié)內(nèi)表面還可能處于干濕交替環(huán)境，腐蝕性液體經(jīng)過反復(fù)濃縮，其離子濃度、酸度大大提高，構(gòu)成了波紋管低溫電化學(xué)腐蝕（含應(yīng)力腐蝕）的液體環(huán)境。實際上，Inconel625、Incoloy825等高鎳奧氏體合金對硫、氯離子的應(yīng)力腐蝕也并非是免疫的，在特定條件下仍無法避免應(yīng)力腐蝕的發(fā)生^[5]。此外，當(dāng)導(dǎo)流筒與波紋管之間的封堵填充物脫落或?qū)Я魍舶l(fā)生破損后，煙氣將更加容易與波紋管接觸，造成腐蝕；同時，攜帶催化劑粉塵顆粒的、高速流動的煙氣也會對波紋管產(chǎn)生沖刷侵蝕。

3 某催化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)波紋管泄漏情況

某220萬噸/年催化裂化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)采用復(fù)式拉桿帶比例連桿型，通徑為2400mm，設(shè)計溫度760℃，工作溫度700℃，設(shè)計壓力0.43MPa，工作壓力0.23MPa，波紋管材質(zhì)選用Inconel 625（Grade 2）（固溶），波紋管設(shè)置為雙層結(jié)構(gòu)，1.5mm厚，上下波紋管均為三波，波高66mm，波距80mm，設(shè)計橫向位移70mm，設(shè)計疲勞壽命3000次。該膨脹節(jié)于2014年8月投入使用。

2020年6月11日，該膨脹節(jié)上波紋管發(fā)生泄漏（自上波紋管外保護罩縫隙中噴出煙氣、水汽），見圖3-1：

圖3-1 膨脹節(jié)上波紋管泄漏情況

之后，又發(fā)現(xiàn)該膨脹節(jié)上波紋管一拉桿加強板透氣孔處漏煙氣，判斷為端板與筒體焊縫部位發(fā)生泄漏，見圖3-2、圖3-3：

圖3-2 拉桿加強板透氣孔處泄漏                                  圖3-3拉桿加強板處結(jié)構(gòu)

4 膨脹節(jié)波紋管泄漏原因分析

該膨脹節(jié)泄漏的原因，排除設(shè)計選型不當(dāng)、制造缺陷、安裝施工質(zhì)量、蠕變失穩(wěn)、疲勞破壞等因素后，分析為腐蝕破壞、沖刷侵蝕共同作用的結(jié)果。該膨脹節(jié)上部3米處設(shè)置有兩臺煙道降溫噴嘴（如圖4-1），由于該裝置再生器為單段再生型式，生產(chǎn)中再生器稀相常出現(xiàn)尾燃現(xiàn)象，造成再生器出口煙氣溫度超標，操作上采用噴水、噴汽降溫的方式進行控制，噴水量最大達20t/h。這樣，再生器出口煙氣中水汽含量大大增加，就可能在膨脹節(jié)波紋管處形成煙氣低溫露點腐蝕的環(huán)境。其次，煙道降溫噴嘴距離膨脹節(jié)距離非常近，降溫水噴入煙道后急劇汽化，對煙氣流動狀態(tài)產(chǎn)生擾動，可能對膨脹節(jié)內(nèi)部導(dǎo)流筒產(chǎn)生沖刷侵蝕；若噴嘴霧化效果不佳，煙氣夾帶著局部大量水、汽下行，對噴嘴下方的煙道襯里、膨脹節(jié)導(dǎo)流筒產(chǎn)生沖刷侵蝕，導(dǎo)流筒一旦破壞后，波紋管就直接暴露在煙氣腐蝕和沖刷作用下，更容易發(fā)生泄漏。

圖4-1 煙道降溫噴嘴與膨脹節(jié)

后來，裝置停工檢修時的設(shè)備鑒定情況也驗證了以上原因分析：煙道降溫噴嘴下部襯里被沖刷出寬約20cm的溝槽，并一直延伸至膨脹節(jié)上波紋管導(dǎo)流筒處（見圖4-2）；膨脹節(jié)上波紋管導(dǎo)流筒局部破壞嚴重，露出了波紋管（見圖4-3，側(cè)拉環(huán)處為破損的導(dǎo)流筒，Ω保溫釘處為波紋管）；煙道降溫噴嘴噴口破損嚴重，成為不規(guī)則形狀（見圖4-4）。

  圖4-2 噴嘴下部襯里沖刷                                        圖4-3 波紋管導(dǎo)流筒破壞                                 圖4-4 噴嘴噴口破損   

5 膨脹節(jié)波紋管泄漏處理措施

5.1 膨脹節(jié)包盒子堵漏并補強

該膨脹節(jié)泄漏后，采用在線包盒子并外部加固的方法進行臨時處理，待裝置停工檢修時對該膨脹節(jié)進行了更換。

首先，對上波紋管進行包盒子處理。使用10mm厚316L鋼板卷筒后，分割為若干塊，設(shè)置在上波紋管外護罩與膨脹節(jié)拉桿、比例連桿之間的空隙中，焊接生根在膨脹節(jié)上端板和上波紋管下部護罩環(huán)板上。

因膨脹節(jié)上下端板、護罩環(huán)板和中間筒節(jié)均為碳鋼材質(zhì)，為防止煙氣對端板、護罩環(huán)板和中間筒節(jié)腐蝕后再次造成泄漏，決定對膨脹節(jié)中間筒節(jié)、下波紋管使用10mm厚316L鋼板整圈包盒子。在此之前，在膨脹節(jié)上下端板及上下波紋管護罩環(huán)板外側(cè)均貼焊一層10mm厚316L鋼板。

盒子主體焊接完畢后，還剩余兩側(cè)比例連桿處局部無法焊接。這是由于波紋管外護罩與比例連桿之間空隙較小，設(shè)置包盒子用鋼板后，就無法將焊把伸入鋼板與比例連桿之間。因此需將比例連桿臨時拆除以補全焊縫。比例連桿在裝置運行狀態(tài)下的位移量雖已達到最大狀態(tài)，但由于比例連桿還承受著膨脹節(jié)中間筒節(jié)的重量，因此在拆除之前還需要對中間筒節(jié)和膨脹節(jié)整體進行臨時固定，以防止波紋管產(chǎn)生過度變形。臨時固定使用8根加固槽鋼，按圓周等分排列，槽鋼兩端焊接生根于膨脹節(jié)上下端板上，中部增加固定鞍座焊接生根于膨脹節(jié)中間筒節(jié)盒子外表面。這樣就將膨脹節(jié)整體進行了臨時固定。拆除比例連桿時，將上中下3個鞍座組件中的立板在方便操作處同一高度進行割除（共計12 塊立板），便可將比例連桿整體取下。切割過程需保證切割表面平整，方便后續(xù)焊接。兩側(cè)比例連桿處盒子焊縫焊接完畢后，先在切割后留在膨脹節(jié)筒體上的鞍座組件立板上滿焊加裝一塊墊板，再將比例連桿組對到位后與加裝墊板進行滿焊，以保證比例連桿的固定強度。

5.2 操作調(diào)整措施

為了降低煙氣中水汽含量，減緩煙氣對膨脹節(jié)的腐蝕，操作上一方面采取調(diào)節(jié)裝置原料油性質(zhì)、再生器藏量，添加助燃劑等措施減緩再生器稀相尾燃程度；另一方面調(diào)整煙道降溫蒸汽、水的開度，盡可能關(guān)小降溫蒸汽、水開度，必要時優(yōu)先開大降溫蒸汽，當(dāng)蒸汽全開時再開降溫水。裝置停工檢修時，一方面在再生器內(nèi)增加強化燒焦格柵，對待生劑分布器進行改造，以降低再生器稀相尾燃發(fā)生的幾率和程度，另一方面將煙道降溫噴嘴更新為CS-ⅡA型噴嘴，蒸汽側(cè)設(shè)置孔板，始終保持全開狀態(tài)，以保證霧化效果，操作上仍按照盡可能關(guān)小降溫水的原則進行控制。

結(jié)束語

某催化裝置再生器至三旋煙道膨脹節(jié)波紋管發(fā)生泄漏故障，究其原因主要是煙道降溫大量噴水對膨脹節(jié)內(nèi)套筒和波紋管造成的腐蝕破壞和沖刷侵蝕。故障發(fā)生后，采用在線包盒子補強的方法進行臨時處理，操作上采取降低降溫噴水流量的方法進行調(diào)整，堅持運行到裝置停工檢修后對該膨脹節(jié)和煙道降溫噴嘴進行更換，還在再生器內(nèi)增加了強化燒焦格柵，對待生劑分布器進行改造，以改善再生尾燃狀況?？傊瑢τ谠撆蛎浌?jié)，降低煙氣溫度，減少降溫噴水對其不利影響，才能保證它能夠安全平穩(wěn)長周期運行。

參考文獻

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第一作者簡介：陳俊芳（1981-），男，河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)工程管理碩士，現(xiàn)在中石化石家莊煉化分公司從事設(shè)備管理工作，高級工程師。