重油催化装置高温烟道膨胀节开裂分析及改进

（中石化金陵分公司，江苏 南京 210033）

重油催化装置高温烟道膨胀节开裂分析及改进

张可伟

（中石化金陵分公司，江苏 南京 210033）

中石化金陵分公司130万t/a重油催化裂化装置的高温烟道膨胀节在2010年8月～2013年3月期间，发生了10多次开裂，经分析，找到了原因，并提出改造对策，取得较好效果。

催化裂化；高温烟道；膨胀节；开裂分析

一、高温膨胀节开裂的基本状况

1．开裂膨胀节所处位置

中石化金陵分公司130万t/a重油催化裂化装置三级旋风分离器出口和高温烟道垂直段之间的第一个膨胀节，于2010年7月18日、8月1日分别连续两次开裂，向外泄漏大量高温催化剂，当时把装置停下来包套处理开裂泄漏处。2010年7月至2013年3月期间，安装于三级旋风分离器与烟机之间的烟道中的膨胀节，发生了13次开裂，大量泄漏高温催化剂。

2．膨胀节开裂情况

该金属波纹管开裂断口特征是横向和斜裂纹等不同裂纹方式，但从宏观可看出，横向裂纹最为明显。裂纹集中存在于该波纹管波谷的表面，同时还存在波纹管内表面，裂纹分布多且广，可为多源性。

3．膨胀节原始设计参数

设计压力：0．3MPa；介质温度：780℃；许用疲劳寿命：3 000次；波根直径：1 940mm；波高：85mm；波距：85mm；波数：4＋4＋4；层数：1；波纹管厚度：2mm；波纹管材质：Incoloy800。

4．膨胀节运行情况

高温烟道膨胀节从装置开车到波纹管开裂运行仅10个月，出现波纹管从波峰处开裂泄漏。该泄漏处的工作压力是0．20MPa左右，工作温度720℃左右，运行参数符合设计要求。装置的高温烟道7个膨胀节工作介质为烟气＋催化剂，烟气中含有O2、N2、H2O、含有少量的极性气体SO2、NO2、CO2及较微量CO等，催化剂中还含有少量的硫、氮组分。

二、开裂断口处分析研究

1．Incoloy 800波纹管宏观分析

开裂失效的Incoloy 800波纹管的宏观照片见图1。从图中可以看出，该金属波纹管开裂断口特征虽然有横向和斜裂纹等不同裂纹方式，但可看出，横向裂纹最为明显，裂纹集中存在于该波纹管波谷的表面，同时还存在波纹管内表面，裂纹分布多且广，可为多源性，初步可认定为裂纹塑性特征明显，可排除疲劳断裂的可能性。同时，从图中可看出，波纹管的表面腐蚀程度不明显，断口平整光滑。

图1 开裂的Incoloy 800波纹管膨胀节宏观照片

2．材料成分分析

从开裂失效的Incoloy 800波纹管的X-射线荧光光谱成分分析结果及用红外碳硫分析仪检测该合金中碳含量的结果可以看出，该波纹管材料验证确实是Incoloy 800。

3．金相检验

通过对该金属波纹管原样品金相分析研究观察，它的组织是奥氏体＋微量碳化物，晶粒直径平均为150μm，晶粒度3级，说明膨胀节原材料是退火态固溶板材，检验项目全部符合标准要求。

对该波纹管开裂处的样品金相分析研究，组织是奥氏体＋微量碳化物，平均晶粒直径和晶粒度与原母材样品相似，这证实了波纹管的金相组织无较大变化。

4．机械性能

该金属波纹管开裂处样品和母材样品的室温、高温力学性能检验分析结果列于表1，母材样品力学性能数据全部满足ASTM B443-96A相关标准，失效波纹管的样品力学性能，它的伸长率与原始板材相比偏低，抗拉强度、屈服强度和硬度相比于原始板材偏高。

表1 力学性能分析结果

5．微观组织分析

开裂失效Incoloy 800波纹管中的微观裂纹见图2。从图中可以看出，裂纹为穿晶型裂纹，主裂纹较为明显，但也能看出有少量二次裂纹，二次裂纹数量很少、扩展面也比较窄，从而可排除晶间应力腐蚀开裂。

图2 开裂的波纹管中的微观裂纹金相照片

6．裂纹在金相组织中的走向

从膨胀节的失效波纹管断口部位取样，光学显微镜通过观察对比，把它的断面进行抛光取样，发现断口表面的裂纹，该裂纹深度有2～3个的晶粒大小，抛光试样经王水腐蚀后，再到显微镜下分析观察，发现裂纹形状成网状外貌，以沿晶裂纹为主，也存在少量穿晶裂纹。

7．波纹管开裂泄漏性质判定

通过对催化裂化装置金属波纹管的开裂碎片分析，从宏观到微观观察分析，可判定波纹管开裂是该合金断裂处晶界两侧的贫Cr区高温氧化、晶界析出的碳化物、晶界吸硫的环境下高温晶界开裂。

三、改进措施

1．材料升级

Incoloy800 合金在大于720℃的温度使用，存在两方面的风险：一是该合金可能发生脆性，尤其在晶界上析出富Cr的碳化物情况下；二是工作介质中的氧和硫元素含量达到一定时，该合金表面氧化膜不能阻止氧和硫元素的渗入，这时该膨胀节的晶界基体就会氧化、吸硫，氧化造成晶界强度减弱产生微裂纹，加速了晶界的弱化，最终造成膨胀节开裂。因此，此装置在改造中，高温烟道的膨胀节采用了Inconel625材料，其强度、性能比Incoloy800优越。

2．结构改进

本装置三旋出口烟道垂直段的膨胀节，裸露部分温度可达710℃，遇到雷暴雨、昼夜温差大时，对出口产生很大的拉应力。本装置的三旋是固定在支座框架上的，这部分应力由反作用到第一个膨胀节上。这样的交变应力荷载可引发材料疲劳失效开裂。因此，对膨胀节外部结构进行改进，膨胀节外部增加了金属外护罩，防止在雨雪天气条件下，温度急剧变化带来较大拉应力和交变应力荷载。

3．高温烟道柔性布局优化

把该装置的高温烟道的维立体Z型布置，在垂直管道中部设置固定承重支架，分为以三旋出口和烟机入口为支点的两个“L”型平面管系，各设1组3个单式铰链型膨胀节，来吸取管系的整体位移，具体如图3所示。

图3 高温烟气管道各支点分布图

通过CAESAR II软件建模，从应力校核和管道软件分析的结果来看，两个“L”平面型管系的柔性良好。关键节点最大受应力低于设计的许用应力，在固定支架之前的各关键节点受应力均低于各支点的许用应力值的，这样的受力状态满足了设计标准要求。

四、结论

通过对催化裂化装置开裂波纹管13次开裂的分析研究，找到原因，提出了针对性的解决措施。对该装置三旋至烟机烟道及膨胀节进行材料升级、结构改进、布局优化，经2013年6月至8月2个月的组装，顺利的用于生产实践，于8月26日该装置一次开车成功，投用正常。

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