乙烯装置裂解炉主要设备失效分析与处理

乙烯装置裂解炉主要设备失效分析与处
理
摘要：通过对乙烯装置裂解炉主要设备的分析和评估，总结失效原因，并且
提出一些有效的处理措施，以确保乙烯装置裂解炉能够安全、稳定、持续地运转，为乙烯装置裂解炉的管理者提供更加完善的技术指导，帮助他们更好地应对裂解
炉管理方面长期存在的问题。

关键词：乙烯装置；裂解炉；主要设备；失效分析与处理
石油化学工业属于化学工业的主要构成之一，对于促进国家经济的可持续增
长至关重要。

乙烯工业在石油化学工业中占据着举足轻重的地位。

近半个世纪以来，中国的乙烯工业取得了长足的进步，并已发展成为一个庞大的基础性工业分支。

裂解炉是生产乙烯的关键设备。

由于在乙烯装置的众多单体设备，裂解炉需
要在高温、高压的环境下运行，并且需要定期进行切换，因此故障率极高。

裂解
炉的可靠性水平会影响到装置的安全性和稳定性能力。

为了保障裂解炉的安全运行，我们需要仔细分析其中的主要部件，并确定影响其可靠性的各种因素，以便
制定出有效的解决方案。

此次研究期间，以某企业的乙烯装置为例展开分析，据悉，该乙烯装置已经投入使用十余年，根据日常运行、维护记录为依据，结合乙
烯工业发展期间获得的成果，制定改善设备可靠性的措施，致力于为乙烯裂解炉
的可靠运行提供全面的技术支持。

一、裂解炉辐射段炉管失效分析及处理
炉管是裂解炉的核心部件之一，裂解反应主要在此处进行反应。

同时，炉管
的质量直接影响着裂解炉的寿命。

由于其结构、材料和数量的不同，裂解炉的负
载和性能也会有所差异。

因此，对于辐射段高温合金炉管来说，可靠性的要求更
加严格。

（一）失效分析
1.蠕变破坏
随着时间的推移，由于高温应力的作用，材料会出现蠕变变形，而炉管的蠕
变破坏表现出以下几个明显的特点：
（1）塑性变形主要聚集在直径、轴线方向。

（2）管壁产生大量蠕变裂纹。

其多出现在距离内壁1.3~1.4壁厚处，逐渐
朝向内部以及外壁的方向蔓延，由于蠕变破坏所产生的裂纹多为轴向。

2.热疲劳损伤
通常，裂解炉的运行是有时间规律的，因为当它处于正常工作状态时，炉膛
内部的热量会从炉管外部传递到内部，导致温度差异的产生，进而产生一定的热
应力。

随着管壁结焦，炉管壁的温度会急剧上升，从而导致热应力的显著增加。

当裂解炉停止运转或者烧焦时，热量传递几乎为零，烧焦过程中释放的热量可能
会导致管道内壁温度高于外壁，形成与正常运行状态相反的温度差和热应力。

由
于裂解炉材质采用的是奥氏体材料，其热膨胀系数高，而热传导率却相对较低，
这就使得它具有更强的内应力。

随着裂解炉的定期运行，由于温度和压力的波动，炉管的应力也会随之发生改变，从而使得炉管材料出现了热疲劳。

事实上，炉管
承受的应力不仅仅是由于管壁温度差所形成的热应力以及升降温期间温度、压力
波动所产生的应力所组成，还包含由于炉管的重力、弯曲度以及其他因素的影响
所产生的机械应力。

热疲劳的显著性表现是龟裂。

热疲劳损伤多出现在炉管晚期。

随着裂解炉开停次数的增加，热疲劳损伤的发生率也会相应提升。

在实际使用中，由于弯头的壁厚、应力状况的复杂性以及与离心铸造管相比，它们的静态铸造组
织的致密性更低，因此更容易出现热疲劳裂纹。

3.冲刷与管壁减薄
随着在高温条件下持续工作，炉管的内壁和外壁都会产生氧化物，而且由于
氧化物和基体的结构和性能存在明显的差异，随着温度的上升或下降，氧化层会
不断掉落，而且当气体以150m/s的速度进入裂解炉管道时，会产生强烈的冲击
力和摩擦力，从而导致管壁（包括弯头）的壁厚变得更加薄，甚至出现穿孔现象。

由于冲刷作用，裂解炉的管壁变得非常脆弱，主要表现在弯头肩部和弯头焊缝处，而且这种情况也会出现在对流段和辐射段。

在裂解炉烧焦过程中，由于高速气流
携带的大量焦粒，导致了裂解炉辐射段炉管的壁厚变薄，从而使得穿孔破损的可
能性增加。

由于冲刷作用所导致的管壁变薄现象，表现为不均匀性、局部性，甚
至可能出现深度极大的孔洞。

通过计算发现，当管壁变得更薄时，它的应力会随
之增加，这将导致炉管的使用寿命缩短。

当炉管的局部变薄现象较为严重时，可
能会出现穿孔或断裂的情况。

（二）失效处理对策
首先，应当严格遵守操作流程规范，以最大限度地减少dT/dt变动带来的热
应力增长，并且防止发生超温或过载的情况。

其次，必须对裂解和清焦工艺进行
严格的监督，防止发生渗碳氧化等现象。

再者，重点关注炉管表面温度的监测和
控制。

定期检查裂解炉和高备用或烧焦炉的炉管表面温度。

并根据实际情况随时
调整炉膛内的温度。

如果发现热斑或异常情况，对其进行重点监护。

另外，通过
严格控制配重，有效防止上升管因结构拉压应力而受损。

经过研究发现，由于裂
解炉辐射段炉管存在严重的下降管和上升管弯曲情况，为了满足配重的要求，可
以采取了两种不同的调节措施：一是热调，二是冷调。

此外，还需要持续观测炉
子的升温情况以及投料情况。

最后，针对使用时间超过五六年的出口管若是出现
如下情况，则可以进行更换：（1）渗碳超过壁厚的三分之二；（2）蠕变率大于20%；（3）蠕胀、鼓包现象明显，且可观察到回抽；（4）壁厚出现了明显的不
平衡的减薄表现；（5）事故发生率显著增多。

通过采取上述有效的措施，成功地将乙烯装置的1#、2#、3#、6#、7#等裂解
炉的辐射段进行了更换，这不仅有效地减少了裂纹的发生，而且还显著地缩短了
维护周期，大大延长了炉管的使用寿命。

经过改进，乙烯裂解炉的故障率显著降低，检修费用也有所减少，而且整个系统的使用寿命也有所延长，延长率可达8%。

二、裂解炉炉衬失效分析与处理
（一）失效分析
在裂解炉投入使用的过程中，由于存在炉板外壁温度超高、衬里层粉化疏松、锚固结构受到破坏等问题，故而会对裂解炉的使用安全性和稳定性造成极大的威胁。

1.尽管炉墙使用了陶瓷纤维模块，由于它们的排列方式有一定的局限性，每
四块模块连接处的“死点”问题无法得到有效的解决，从而使得保温性能无法达
到期望的水平。

2.由于复合结构的使用，耐火砖会出现膨胀缝，这会对背衬硅钙板造成过热
损伤，降低其保温性能。

3.由于原有的砖墙的膨胀缝宽度有10mm，这大大限制了其总体的膨胀性，从
而使得部分砖块出现了胀裂破损问题。

4.中间盖板及横跨段立柱衬里直形钉规格为6mm×3mm，类型为齿形钉。

由于
其较薄，在高温环境下，这种齿形钉容易受到氧化烧损的影响，进而降低衬里结
构的稳定性。

（二）处理对策
经过精心研究，决定在这次改造中使用全纤维结构，并采取平铺叠砌的方式，结构保温厚度保持不变，依旧为305mm；端墙和侧墙采用耐火砖和模块复合结构；为了提高炉衬的使用性能，在其中的关键部位，如拐角、看火孔、烧嘴和异形面
的连接点，采取了搭接的方式，以防止因陶瓷纤维材料的收缩而产生更多的裂纹。

陶纤板取代硅钙板作为耐火砖墙的背衬，而且膨胀缝也从10mm增大至20mm，但
是排列方式未发生变化。

利用上述措施对裂解炉进行改造处理后，待其运行一段时间后进行测温，和
未改造前对比，并将对比结果汇总为表1。

经过几个月的运行观察，炉顶耐火衬
里表现出色，没有出现任何不正常的情况。

表1 裂解炉改造前后炉顶壁温度对比
总结
经过系统的检测与分析，我们发现乙烯装置裂解炉的主要设备及部件出现故
障的原因有很多。

采用严格、科学的工艺控制，可以有效地降低设备失效的风险，就像“事前维修”一样，它不仅能够减少一些事故和故障的发生，还能够极大地
提升安全性和经济效益。

此外，通过综合运用金属工艺学、腐蚀和焊接理论，以
及结合客观实际情况，可以准确地找出故障的根源，从而采取有针对性的维护和
改造措施，以恢复设备及其部件的正常使用。

参考文献：
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