乙烯裂解炉SLE废热锅炉失效原因

乙烯裂解炉SLE废热锅炉失效原因
作者：孙博张勇杨会刚陈广涛
来源：《当代化工》2017年第04期
摘要：乙烯裂解炉线性套管式换热器内管发生变形失效，通过换热管宏观外貌和微观金属化学组织分析，确定该换热器内管的失效属于局部超温运行高温氧化腐蚀造成的。

建议加强线性套管式换热器的监控，在裂解炉升降温时，尽量提高汽包压力，对汽包和SLE低点进行排放，通过间排排出部分垢污及杂质。

保证SLE底部水质清洁度。

关键词：SLE；形变；超温；氧化腐蚀
中图分类号：TQ 221 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）04-0718-03
Analysis on Failure Reasons of SLE Waste Heat Boiler
in Ethylene Cracking Furnace
SUN Bo， ZHANG Yong， YANG Hui-gang， CHEN Guang-tao
（PetroChina Fushun Petrochemical Company Olefin Plant， Liaoning Fushun 113000，China）
Abstract： The deformation failure of the tube in the linear tube heat exchanger of ethylene cracking furnace happened. According to the analysis of the macroscopic appearance and microstructure of the heat exchange tube， the failure reasons of the inner tube of the heat exchanger were determined as follows： the local over temperature operation and oxidation corrosion. It's pointed out that the monitoring of linear tube type heat exchanger should be strengthened， the steam drum pressure should be increased during the temperature rising and dropping of cracking furnace to improve the emission of steam drum and low SLE， in order to ensure SLE bottom water cleanliness.
Key words： SLE； Deformation； Over temperature； Oxidation corrosion
乙烯废热锅炉是乙烯装置的重要设备，它的主要作用是裂解气在废锅内进行热交换，内管830～840 ℃的裂解气被外管300 ℃的高压水冷却到430～500 ℃，被冷却的裂解气进入急冷油塔，而被加热的高压水变成高压蒸汽，送往压缩区作为裂解气压缩机透平的动力来源[1-3]。

乙烯车间现有8台裂解炉，由S&W公司设计，惠生公司制造，其中3#裂解炉，有8台废锅，每台由11组套管组成，该废热锅炉设计制造由德国BORSIG公司完成。

从2012年装置首次开车，废锅运行性能较好，满足生产运行条件，一直到2016年8月末，发现3#裂解炉废热
锅炉出现8组内管鼓包变形的现象，均为涡流室处内管鼓包，严重影响了正常生产，造成了严重的生产隐患。

通过清焦口用内窥镜对堵塞SLE进行检查，发现8根SLE涡流室下焊口上部处的内管出现不同程度的鼓包。

见图1。

该线性废锅是一种单套管换热器，管内是裂解炉出来的裂解气，管外是高压水。

表1为1-4#裂解炉套管换热器参数。

1 试验与分析
1.1 宏观观察
废锅外管套管切开后，发现此处有腐蚀及沉积现象，从外观判断多为氧化铁沉积。

从发生损伤的线性废锅换热管取样后进行分析，图3是发生损伤的乙烯废锅换热管宏观照片。

可以看出，换热管外表面凹凸不平，出现了较严重的氧化腐蚀，且氧化皮有分层及剥落现象，存在明显的腐蚀凹坑。

腐蚀严重区呈黑褐色，可见明显的壁厚减薄。

经测量，管壁最薄处为6.5 mm，减薄量最大达到2.3 mm。

发生损伤的乙烯废锅换热管管内宏观检查看出，管内壁很光滑，没有明显的结焦，内表面一部分发生了严重变形，出现了鼓包，朝内壁凸起，鼓包最高处达7.6 mm。

因为外压远远大于内压，所以这个内鼓包表明换热管在此处发生了外压局部失稳，但还没有出现破裂。

1.2 材质分析及力学性能测试
由于内管发生变形，怀疑内管材质是否符合标准，所以利用直读光谱仪对样品的材质进行确认，经过比对可见其材质的化学成分符合EN10028对16Mo3的规定。

为了研究材料的力学性能是否满足要求，对换热管未鼓包部位进行取样，进行常温拉伸实验，按GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》要求进行加工试样和试验。

从中可以看出，材料的力学性能较好，没有下降，说明材料符合标准。

1.3 金相分析
为了进一步分析废热锅炉换热管鼓包的原因，对废锅换热管进行取样，对出现鼓包的内管在鼓包处和未鼓包处各取一个试样点进行金相检测，图4是未出现鼓包换热管的金相照片，可以看出金相组织主要是铁素体+珠光体，有轻微的珠光体球化。

鼓包处换热管的金相组织，可以看出鼓包处已发生了珠光体完全球化和石墨化。

废热锅炉换热管所用材质16Mo3的正常金相组织为铁素体+珠光体的形态，渗碳体组织分布在铁素体中[4]。

在相同的时间条件下，同种材质珠光体球化程度主要由温度决定，温度越高则球化程度越严重。

从金相分析结果可见，废热锅炉换热管未鼓包处出现了轻微的珠光体球化，说明该处出现了超温现象，但超温不是很严重。

鼓包处的金相组织中珠光体已经完全球化并出现石墨化，说明该部位超温严重。

2 锅炉给水水质分析
2014年整年锅炉给水溶解氧长期处于超标状态，汽包在有氧高温环境下运行，极易发生氧化腐蚀。

3 综合分析
（1）此处水流方向急剧改变，致使蒸汽与水无法有效分离，盐类在此浓缩、沉积，易发生腐蚀问题，腐蚀产物的沉积，进一步加剧腐蚀、沉积，造成局部过热[5]。

（2）锅炉给水入口方箱头底部属死区，未设计底部排污，假如汽包内有微量不溶物和累积铁份就会在死区形成沉积并结垢。

（3）16Mo3材质最高允许使用温度为530 ℃，可以从工艺上满足要求，但在超温的情况下，材质的安全裕度不足，抗异常升温能力较差。

有研究结果表明，16Mo3钢及其相类似的钼钢组织稳定性不够好，如长期在500～550 ℃温度范围内使用，有珠光体球化和石墨化倾向。

4 结论
综上分析所述，废热锅炉下管箱出现鼓包现象主要原因是2014年锅炉给水溶解氧长期超标产生氧化腐蚀，裂解炉在升降温过程、原料切换、热负荷波动较大时水侧垢污脱落，垢物沉积，又因水侧方向头未设置排污阀垢物无法及时排出，而SLE集合管排放倒淋又不能排出涡流室内的垢物，造成垢物在方箱头内沉积，导致SLE内管局部过热超温，内管材质金相组织珠光体已经完全球化并出现石墨化，降低了内管的刚性，在水侧高压作用下出现内管内凹。

5 建议
（1）定期对汽包和废热锅炉进行间断排污，防止垢物在涡流室内累积堵塞，换热不均匀，内管局部过热造成鼓包变形。

（2）在废热锅炉内管制造选材上考虑更换金属材料，选用耐温更高的材质，提高抵抗异常温升的能力。

（3）加强炉水指标监控，确保炉水指标合格，减少水垢产生。

参考文献：
[1]古大田，方子风.废热锅炉[M].北京：化学工业出版社， 2012.
[2]李蓉蓉.双套管废热锅炉失效机理分析[J].压力容器，2008， 25（12）：33-37.
[3] 姚子荣，康龙. 裂解炉SLE急冷器失效分析[J]. 石油化工应用，2010，29（8）：85-89.
[4]魏冬. 乙烯裂解炉废热锅炉集束管失效原因分析与改进[J].中国设备工程，2010（10）：53-55.
[5]孙国豪.乙烯裂解炉性能及失效分析研究[D].大连：大连理工大学，2001.。