乙烯裂解炉辐射段炉管破损原因分析及解决措施

韩巍

摘要：裂解炉是石油化工企业乙烯裂解装置的龙头，而裂解炉辐射段炉管表面所能承受的最高允许温度是制约裂解炉长周期运行的关键因素。本文主要分析了乙烯裂解炉辐射段炉管破损的原因，并提出了相应的解决对策，以提高裂解炉辐射段炉管的使用寿命，促进裂解炉的长周期稳定运行。

关键词：辐射段；裂解炉；炉管；破损

前言

随着世界经济的快速发展，国内不断的提高对乙烯需求量，使得各石油化工企业乙烯装置基本处于满负荷生产状态，工艺操作要求越来越高，生产过程更加精细化，以尽可能的使乙烯生产装置长周期的满负荷安全平稳地运行。而裂解装置的裂解炉是石油化工企业乙烯装置的龙头，其生产状态备受各级管理人员和外界人员的注意。裂解炉主要由以下部分组成：废热锅炉、对流段、辐射段、吹灰器、燃烧器、集烟罩、引风机、以及钢结构等。

一、裂解炉辐射段简介

乙烯装置裂解炉辐射段主要包括炉管、耐火衬里、炉墙板、炉墙砖和燃燒器等，而炉管就是裂解炉辐射段最为关键的部件之一。为了提高耐高温性能，裂解炉辐射段炉管一般都采用高含铬镍合金材质铸造而成的合金钢管。其中，Cr25-Ni20材质的合金炉管在炉内使用时炉管表面承受的最高允许温度一般为1050℃，而Cr25-Ni35材质的合金炉管在炉内使用时炉管表面能承受的最高允许温度一般为1115℃，而Cr35-Ni45材质的合金炉管在炉内使用时炉管表面能承受的最高允许温度可达到1150℃。裂解炉辐射段炉管表面能承受的最高允许温度是制约裂解炉长周期运行的最为关键的因素，因此，在炉管的生产制造过程中加入铌、钨、钒、钛等微量元素，可以有效地提高炉管在高温条件下的抗高温蠕变性能和抗渗碳性能，能有效延长裂解炉辐射段炉管的使用寿命。加入铌元素能够提高钢的蠕变断裂强度，加入钨元素能够改善钢的抗渗碳能力和耐高温变形能力，还使钢具有抵抗结焦引起的材料损伤性能。高浓度的铬镍元素能够有效的保证炉管材料的耐腐蚀性，尤其是镍含量越高，越有利于改善钢的抗渗碳能力。

二、裂解炉辐射段炉管破损原因

（1）炉管内压力过高，导致损坏

在裂解炉中进行的裂解反应需要在高温、低烃分压、短停留时间等状态下操作，所以也就决定了裂解炉辐射段炉管的材质要求是必须要耐高温，而不是耐高压的。一般乙烯装置裂解炉辐射段炉管的操作压力在0.32MPa左右。但在生产过程中一些操作都会导致辐射段炉管内的压力超高，引起炉管损坏。

例如：裂解原料大量带水、或裂解炉投料过程中没有打开进料前导凝阀排水、或者是稀释蒸汽系统控制的不到位，导致稀释蒸汽过热不充分，稀释蒸汽就会大量带水，导致过多的水在辐射段炉管中汽化，引起辐射段炉管内压力增加而超高，引起炉管损坏。

或者，裂解炉在清焦结束以后，在切入急冷系统时，如果切换操作工艺流程不正确，造成辐射段炉管憋压，导致引起炉管内压力超高，使炉管发生损坏。

或者，裂解炉生产负荷过高，在正常操作时，裂解炉的生产负荷一般在设计生产负荷的70%～100%之间，如果我们在实际操作中的生产负荷大于了设计的最高要求，由于裂解反应是生成小分子的过程，那么必然会造成裂解炉辐射段炉管内压力超高，导致炉管损坏。

（2）辐射段炉管温度过高，烧坏炉管

虽然裂解反应需要在高温的条件下进行，但并不是温度越高越好，因为辐射段炉管的材质决定了炉管表面能够接受的最高温度。裂解炉辐射段炉管长期处于高温条件下，会发作蠕变现象，以至于炉管发生断裂损坏。高温下的氧化与渗碳两种进程促进炉管内壁金属体积发作不均匀的改变，部分区域内发作很高的应力，加之渗碳层内碳化物集合增加了材料的脆性，易构成裂纹。辐射炉管外壁高温氧化，因为辐射炉管运转阶段偶尔呈现的超温表象，使金属中的铬含量下降，金属耗费，金属体积发作不均匀改变，构成内应力。辐射炉管长时间处于高温下运转，在合金晶界处，裂纹敏感性极强，因为体积不均匀改变，内应力增加而产生裂纹；在操作进程中，辐射炉管外表面温度不稳定，而致使的热应力更是加快了裂纹的发作与产生。在生产过程中一些操作都会导致辐射段炉管表面的温度超高，引起炉管损坏。

例如，辐射段炉管结焦严重，为了保证裂解炉出口温度的稳定，就需要提高炉膛温度，从而引起炉管的温度超高。或者是燃料气出现带液情况，液相的燃料气经燃烧器喷到炉膛或辐射段炉管上，就会造成辐射段炉管局部温度过高。或者文丘里堵塞或出现偏流，那么有的辐射段炉管就会出现干烧或过裂解的状况，导致裂解炉辐射段炉管温度超高。或者过高的燃料气压力会导致裂解炉炉膛内温度过高，进而引起辐射段炉管温度超高。或者是裂解炉烧焦速率过快，由于烧焦操作是放热反应，通入工业风的速率过快，就会导致辐射段炉管温度迅速升高，而发生温度超高现象。

（3）辐射段炉管渗碳，导致炉管损坏

裂解炉辐射炉管在高温下长期运行会发生渗碳现象。辐射炉管中的气体由CO2、烃类、CO和焦炭等构成。在长期的高温条件下，各种气体吸附在炉管金属内外表，在炉管材质中的铁和镍的催化作用下，推进了吸附气体的析碳反响，发生所谓的“贫铬富镍”现象。其原理就是，在炉管金属内外表组织疏松、氧化膜决裂或内外表缺点部位，活性碳原子很容易进入合金基体，在金属晶界上聚结与铬元素构成碳化物，跟着晶界处碳原子逐渐增大，继而构成较为安稳的碳化物，使渗碳层中的铬含量下降，而镍含量相对会集。炉管中铬含量的下降直接影响金属材料的抗氧化-硫化性能，使合金炉管的耐热功能下降，增加了炉管内外表的脆性，另外由于渗碳层与其相邻炉管材料的线性膨胀系数不一样，操作升降温过程中在其附近组织界面处易发生裂纹，而导致炉管损坏。

三、防炉管损坏采取的解决措施

1）要加强乙烯装置裂解炉操作管理的工艺流程，严格按照规定的操作指标控制各操作参数，使裂解炉正常平稳的运行，这样能很大程度的延长辐射段炉管的使用寿命。

2）工艺人员对COT和TMT的监控要做到及时准确；严格控制燃料气的组分和压力，要尽量控制平稳，以减少波动。

3）在乙烯装置裂解炉烧焦操作时，要确认烧焦彻底，要控制好烧焦时间和烧焦速率，严格防止烧焦不完全，或者发生二次结焦现象。

4）在乙烯装置裂解炉检修过程中，要严格检查更换炉管的材质，以及炉管的检测报告防止炉管安装用错材质，或者寻找新型的抗氧化、耐高压、抗高温、抗渗碳的炉管材料。在炉管安装时要检查安装情况，要避免使炉管存在外部应力。

结束语

不当操作引起的超压、超温和渗碳是导致乙烯裂解炉辐射段炉管损坏的主要原因，缩短了炉管的使用寿命。所以为了实现乙烯装置裂解炉的长周期、安全、稳定运行，在生产过程中必须做好裂解炉的精细化操作和选择先进的炉管材料。

参考文献：

[1]吴建平.乙烯裂解炉辐射段炉管失效原因分析及对策[J].石油和化工设备，2013（08）.

[2]唐广清.裂解炉辐射段炉管的材质选择和安装探讨[J].乙烯工业，2007（04）.

[3]李森.辐射段炉管常见失效形式的分析与预防[J].乙烯工业，2013（04）.