催裂化裝置膨脹節(jié)失效原因分析、預(yù)防和處理措施建議

催化裂化裝置是石油深加工的主要裝置，而膨脹節(jié)是該裝置的必備元件。該裝置中的介質(zhì)工作溫度高、腐蝕性強，容易引起波紋管薄壁結(jié)構(gòu)的腐蝕失效。圖1波紋管波峰開裂某公司催化裂化裝置煙氣管道單式皎鏈型膨脹節(jié)的波紋管波峰開裂（首次出現(xiàn)此類問題），如圖1所示。失效膨脹節(jié)的安裝位置為下三皎鏈組合的最下面的一個，如圖2所示。該波紋管主要用于吸收管道熱位移。管道介質(zhì)為煙氣+催化劑，工作溫度為700°C，運行時承受一定的波動載荷。初始裂紋在波紋管邊波峰上，長約300mm，沿周向延伸，深度貫穿波紋管壁厚。對波紋管進(jìn)行一些處理后設(shè)備繼續(xù)運行3個月，大修更換波紋管時發(fā)現(xiàn)除周向裂紋外，還有起始于周向裂紋的橫向裂紋，裂紋呈樹枝狀。圖2失效膨脹節(jié)安裝位置樣品處理切割取樣樣品為催裂化裝置失效波紋管開裂波峰段樣品，如圖3所示，并沿其周向裂紋的走向，進(jìn)行預(yù)切割；編號處理后，分別制取金相試樣（2-3）、化學(xué)分析試樣（1-3）、斷口和腐蝕產(chǎn)物分析試樣。圖3失效波紋管取樣示意分析試驗根據(jù)ASTME2594—2020《感應(yīng)耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（基于性能的方法）分析鎳合金的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》對樣品的材質(zhì)元素進(jìn)行分析。對失效的波紋管進(jìn)行取樣，利用OlympusGX71金相顯微鏡進(jìn)行裂紋低倍形貌觀察和金相組織分析，利用Quanta650掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌分析，利用GenesisX-射線能譜儀進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物分析。運行工況在煙氣能量回收系統(tǒng)中，采用膨脹節(jié)進(jìn)行補償?shù)闹饕?條管線，其中旋風(fēng)分離器至煙氣輪機(jī)管道的工作介質(zhì)為煙氣，其成分見表1，工作溫度在700℃左右，工作壓力在0.35MPa左右。表1某裝置煙氣成分組成及比例結(jié)果與討論參數(shù)測量分別從切割波紋管的兩側(cè)及中間部位測量每個波的波高、波距，并填入表3。將出現(xiàn)周向裂紋的波紋記為第1個波，依次標(biāo)記為2、3、4、5、6。波紋管的設(shè)計波距為100mm，設(shè)計波高為102mm。由表2可知，周向裂紋所在的第一個波紋長度已經(jīng)達(dá)到了115mm，其波距變化率已達(dá)到GB/T12777—2019《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件》中規(guī)定的平面失穩(wěn)限值，說明波紋管已出現(xiàn)平面失穩(wěn)。表2波紋管參數(shù)測量表化學(xué)成分分析針對失效的波紋管材料進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果見表3，符合ASMESB443N06625合金的標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)沒有問題。裂紋宏觀觀察圖4為周向裂紋宏觀形貌照片，從圖中可以看出波紋管外面覆蓋著黑色的碳和黃褐色的腐蝕物。本次出現(xiàn)的裂紋長度約30cm，斷裂處1-3試樣和1-5試樣還有子午向的裂紋，如圖5所示。斷口清洗后明顯可以看出裂紋分為3個區(qū)域，從上至下分別為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)。裂紋源區(qū)，占斷口區(qū)域的1/7；裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷口區(qū)域的5/7；剩余部分為斷裂區(qū)。裂紋起源于試樣內(nèi)表面，主要為沿晶特征。圖譜如圖6所示，后的腐蝕產(chǎn)物主要為NiO、Cr2O3、NiCr2O4、NiS和Fe2O3。表

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波紋管材質(zhì)化學(xué)成分分析失效分析Inconel625合金作為一種鎳基變形高溫合金，具備了耐高溫、耐腐蝕、抗氧化以及抗疲勞等優(yōu)點，擁有良好的性能，包括優(yōu)異的屈服強度和疲勞裂紋擴(kuò)展速率，在650℃以下時具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能。催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)管路內(nèi)介質(zhì)工作溫度700℃，存在高溫氧化和腐蝕失效的工況條件。圖4周向裂紋宏觀形貌合金的抗腐蝕性主要來源于Cr元素與空氣中的氧氣發(fā)生氧化形成Cr2O3保護(hù)膜，阻止基體與腐蝕介質(zhì)接觸。雖然，Ni是親氧元素，合金中Ni元素占有優(yōu)勢時，能生成連續(xù)的氧化膜，但NiO不如Cr2O3致密，保護(hù)性不如Cr2O3。因此腐蝕過程中往往伴隨著氧化層的溶解。合金在腐蝕后的晶界處發(fā)現(xiàn)明顯的析出相，為δ相Ni3（Nb,Mo），隨著Nb和Mo元素聚集到晶界處形成第二相，造成晶界處產(chǎn)生貧Cr區(qū)和貧Ni區(qū)，難以形成致密的氧化膜，致使S元素腐蝕基體。晶界處富集大量S元素，NiS和Ni會在高溫下生成共晶體，這種共晶體的熔點只有645℃，熔融的共晶體滲透于晶粒之間，發(fā)生晶間腐蝕。晶間腐蝕作為應(yīng)力腐蝕裂紋的誘發(fā)部位，在波紋管壓力、位移應(yīng)力以及含硫腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕裂紋。圖

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橫向裂紋形貌另外高強合金的性能本身也加快了腐蝕裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)腐蝕裂紋沿厚度方向擴(kuò)展至波紋管壁厚無力承受介質(zhì)內(nèi)壓時，波紋管就會開裂失效。結(jié)論與建議分析結(jié)論1.波紋管失效性質(zhì)為晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕作用的聯(lián)合結(jié)果。2.裂紋源的產(chǎn)生是由于材料在腐蝕性環(huán)境下局部高應(yīng)力處首先發(fā)生高溫氧化、硫化腐蝕所致。3.波動載荷是產(chǎn)生交變應(yīng)力的原因，波紋管在交變應(yīng)力作用下，其應(yīng)力幅值反復(fù)變化，裂紋得以不斷擴(kuò)展，最后斷裂。應(yīng)用建議1.停工檢修期間做好防護(hù)由于催化裂化裝置中存在大量的含硫氣體，在低于露點溫度時極易冷凝，并沉積到波紋管底部，從而增大產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕失效的幾率。2.進(jìn)行膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)升級催化裂化裝置是石油深加工的主要裝置，而能量回收系統(tǒng)又是決定全廠能源利用指標(biāo)的重要系統(tǒng)。若該系統(tǒng)因突發(fā)設(shè)備失效造成裝置緊急停，將產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失。為提高該系統(tǒng)用膨脹節(jié)裝置的長周期安