裂解爐熱偶保護套管磨損穿透原因分析

摘要:裂解爐熱電偶套管頭部發(fā)生磨損穿透,單臺爐子20個(gè)套管中有接近一半以上發(fā)生,其他套管頭部也有不同程度的磨損,套管發(fā)生磨損的部位均在裂解氣的來(lái)流方向，且套管頭部端面有明顯的腐蝕凹坑和溝槽。套管表面磨蝕穿透后COT測量值失真.嚴重影響裂解爐的正常操作。通過(guò)對熱偶套管的結構改進(jìn)，爐管COT偏差明顯改善，各爐管的裂解深度保持一致,有效保證了裂解爐的長(cháng)周期穩定運行。
乙烯是石油化工的基本原料,乙烯裝置是石油化工生產(chǎn)的核心。當今世界90%以上的乙烯是通過(guò)管式爐烴類(lèi)熱裂解的方式生產(chǎn)的，裂解爐是乙烯裝置最關(guān)鍵的核心設備，其控制效果的好壞直接影響乙烯的收率。裂解爐內反應復雜,各變量之間耦合度高。裂解原料在裂解爐爐管內進(jìn)行的烴類(lèi)裂解反應中,裂解爐的裂解深度是衡量裂解爐內裂解反應進(jìn)行程度的重要指標,為了獲得一定的乙烯收率，必須將裂解深度控制在適當的范圍之內,目前國內大部分乙烯裂解爐裝置均采用爐管出口溫度COT(CoilOutletTempera-ture,以下均簡(jiǎn)寫(xiě)為COT)來(lái)表征裂解深度,為保證正常生產(chǎn).必須對COT實(shí)現較為精確的控制。
1裂解爐COT平衡調節控制現狀
1.1COT調節原理
       中國石油蘭州石化公司240萬(wàn)t/a乙烯裂解.裝置HSII型裂解爐為2007年所建.每臺爐生產(chǎn)能力為400萬(wàn)t/a乙烯，每臺裂解爐共有40根1-1型爐管，它們在輻射室按南北方向分為4組排列,每組有10個(gè)1-1型輻射爐管，且每組的10個(gè)1-1型輻射爐管的出口上設有5個(gè)出口溫度測量熱偶，原設計熱偶安裝結構如圖1所示。它們在輻射爐管的出口呈間隔排列，各組的5個(gè)爐出口溫度的平均值做為本組爐出口溫度調節器的測量值。通過(guò)這些出口溫度值偏差的輸出和調節,來(lái)達到平衡各組爐出口溫度的目的,保證裂解爐各組出口溫度滿(mǎn)足工藝要求,從而控制好裂解爐的出口COT.

1.2裂解爐出口COT偏差現狀
       為了提高雙烯收率和減少碳三生成量,對裂.解爐原料進(jìn)行優(yōu)化投乙烷,投乙烷過(guò)程中發(fā)現裂解爐COT溫度偏高，原來(lái)設計投乙烷COT為837~853℃,而實(shí)際操作中投乙烷初期COT達到870~872℃,末期達到了875℃，這樣的操作工藝條件會(huì )造成SLE有超溫現象。而且,在裂解爐投油初期，裂解爐COT偏差小，但運行一段時(shí)間以后,COT偏差逐漸增大,最大時(shí)COT沿度超過(guò)30℃,個(gè)別爐管COT甚至達到900℃,并且發(fā)現相應安裝熱偶溫度測量點(diǎn)的爐管結焦嚴重,甚至發(fā)生爐管堵塞。2011年大檢修期間,發(fā)現裂解爐出口熱偶套管頭部有磨損穿透現象，磨損熱偶套管如圖2所示,單臺爐子20個(gè)套管有接近一半以上磨穿,其它套管頭部也有不同程度的磨損。套管發(fā)生磨損的部位均在裂解氣的來(lái)流方向,且套管頭部端面有明顯的腐蝕凹坑和溝槽,后經(jīng)堆焊修復,使用周期也不足半年。熱偶保護套管發(fā)生磨損甚至磨穿后，熱偶將直接外露于裂解氣中，裂解氣中的焦炭將附著(zhù)于熱偶表面，致使溫度熱偶傳感器不穩定發(fā)生溫度漂移,COT測量值發(fā)生失真，從而影響該組總的爐管出口溫度,整臺爐子的裂解深度將無(wú)法控制，嚴重制約了裂解爐正常生產(chǎn)運行。

2熱偶套管磨損原因分析
2.1沖蝕磨損
       通過(guò)對熱偶套管安裝結構及套管發(fā)生磨穿的位置進(jìn)行研究,發(fā)現熱偶套管原設計存在不足,所有COT套管頭部伸進(jìn)爐管流道約30mm,即套管頭部接近爐管中心，因套管頭部伸進(jìn)爐管流道內過(guò)深，減少了裂解氣流通面積，據估算約占爐管30%的流通面積,大大增加了裂解氣的流動(dòng)阻力。高溫下裂解原料在爐管中發(fā)生復雜的熱裂解反應,反應除生成乙烯、丙烯、丁二烯等期望產(chǎn)品外，還伴隨有炔烴、芳烴、焦炭及硫化物、氫氣和二氧化碳等物質(zhì)生成。裂解爐出口裂解氣組成非常復雜,為氣、液、固三相混合物,其中還含有H2、CO、CO2、H2S等腐蝕性氣體”。裂解氣流經(jīng)套管頭部端面時(shí)，因套管伸進(jìn)爐管流道約30mm,改變了爐管內裂解氣的渦流特征，裂解氣遇到凸起部位突然改變流動(dòng)方向,溫度下降.阻力增加。正常生產(chǎn)中，流經(jīng)爐管的裂解氣流速約達到100~140m/s,裂解氣中溫度高達860℃的汽液混合物以及其中夾帶的焦粒對伸出的套管頭部產(chǎn)生沖刷，其中的焦粒由于質(zhì)量較大,更具有較大的沖擊力，對套管產(chǎn)生嚴重的沖刷破壞，熱偶保護套管在爐管內既承受裂解氣中焦炭顆粒的沖刷，造成沖蝕磨損,又承受高溫酸性氣體的腐蝕作用,在兩者的綜合作用下，熱偶套管伸入爐管的頭部成為磨損最為嚴重的部位,進(jìn)而發(fā)生磨蝕穿透。這是套管發(fā)生磨蝕穿透的主要原因。
2.2金屬塵化腐蝕
       另外,熱偶套管的材質(zhì)為Incoloy800H,是一種廣泛應用于高溫結構件的奧氏體耐熱合金。在H。-CO-CO2-H2O環(huán)境和溫度為800~950℃條件下,套管材料Incoloy800H的組織易發(fā)生滲碳,這將會(huì )導致合金套管?chē)乐卮嗷?，甚至腐蝕造成套管壁厚減薄，即所謂的金屬塵化腐蝕與。研究表明,金屬塵化通常發(fā)生在溫度為550~900℃,其主要表現為金屬快速損耗、變薄,最終導致金屬碳化和粉化。金屬塵化的機理是金屬在嚴重滲碳后的體積膨脹量相當大，表面的不均勻滲碳將會(huì )在金屬局部區域內產(chǎn)生很大的壓應力,當該區域內應力達到--定程度時(shí),就可能碎裂、剝落，發(fā)生所謂的金屬塵化。金屬塵化是一種物理作用的高溫腐蝕,是一些金屬(如鐵、鎳、鈷及其合金)在高溫碳(碳氫、碳氧氣體)環(huán)境下碎化為由金屬碳化物、氧化物、金屬和碳等組成的混合物而致金屬損失的行為3。流經(jīng)爐管的裂解氣中含有一一定量的H2.CO.CO2和H2O,溫度在840~860℃，這就為套管的滲碳提供了條件.這也是導致合金Incoloy800H套管管壁出現腐蝕凹坑和溝槽的主要原因之一。
3改進(jìn)措施
3.1熱偶套管結構改進(jìn)
       要想爐管的COT測量值準確穩定并且延長(cháng)套管使用壽命，就需對套管結構進(jìn)行重新設計。結合熱偶套管安裝結構尺寸及套管端部發(fā)生磨損部位,分析認為套管頭部伸入爐管太深,流經(jīng)套管頭部高溫裂解氣的沖刷腐蝕是套管磨損的主要原因，因此需將伸入的套管頭部適當縮短,以減少裂解氣的沖刷腐蝕作用。熱偶套管的結構如圖3所示。為了減少熱偶插入深度對所測COT的影響，經(jīng)過(guò)分析研究,決定將套管頭部由40mm縮短20mm,同時(shí),為使套管與原來(lái)的熱偶長(cháng)短相配合,將熱偶頭部縮短的20mm延伸至套管尾部套筒,這樣改進(jìn)后的熱偶套管頭部既從爐管中心外縮至爐管內壁附近，又滿(mǎn)足與原來(lái)的熱偶完全配合，從而避免了縮短熱偶對裂解爐COT的影響。熱偶套管縮短改進(jìn)后的安裝結構如圖4所示。

3.2熱偶套管表面涂層
       在套管結構改進(jìn)的基礎上，為了防止套管與高溫裂解氣直接接觸發(fā)生滲碳和金屬塵化，還對套管頭部進(jìn)行了表面涂層保護處理。采用鈷鉻鎢涂層分兩層噴涂，每層厚度不小于1.6mm,硬度HRC大于37,涂層進(jìn)行滲透檢查,同時(shí)外表面進(jìn)行打磨處理,表面粗糙度為1.6。涂層的化學(xué)成份如表1所列。

4結語(yǔ)
       分析裂解爐熱偶套管的磨蝕穿透形貌，找出.了套管磨損穿透的原因,裂解爐熱偶保護套管經(jīng)改進(jìn)投用后，爐管COT偏差較之前有明顯改善,各爐管出口COT偏差≤5C，這為裂解爐的優(yōu)化操作提供了準確的依據。通過(guò)準確的測量爐管出口裂解氣的真實(shí)溫度,可以有效控制各爐COT偏差,使各爐管的裂解深度保持一致，從而為爐子的整體優(yōu)化操作提供了條件,有效地改善了爐子的運行環(huán)境,保證了裂解爐的長(cháng)周期穩定運行。