（中国石油化工股份有限公司石家庄炼化分公司，河北石家庄，050099）
摘 要：在催化裂化装置中，反再系统高温管道普遍应用金属波纹管膨胀节以补偿其膨胀变形位移。其中，再生器至三旋烟道膨胀节常出现泄漏问题，严重影响催化裂化装置安全平稳运行。本文介绍了催化裂化装置再生器至三旋烟道膨胀节应用的概况，概述了膨胀节发生泄漏的原因，并以某催化装置膨胀节泄漏故障为例进行了原因分析，明确了烟道降温喷水的主要影响，阐述了在线包盒子临时处理方法及后续处理措施。
关键词：催化裂化 再生器 三旋 烟道 波纹管膨胀节 泄漏
前 言
在催化裂化装置中，反再系统高温管道普遍应用金属波纹管膨胀节以补偿其膨胀变形位移。膨胀节应用部位如再生斜管、待生斜管、外取热器下斜管、再生器至三旋烟道、三旋至烟机烟道、烟机出口烟道、三旋至降压孔板烟道、降压孔板至余锅烟道等。对于再生器至三旋烟道这一部位应用的膨胀节，由于烟气介质温度高、流速快、且易形成腐蚀环境，常出现泄漏问题，严重影响催化裂化装置安全平稳运行。
1 催化裂化装置再生器至三旋烟道膨胀节应用概况
再生器至三旋烟道膨胀节应用类型有复式铰链型、复式拉杆型、复式拉杆带比例连杆型、万向铰链型等。膨胀节波纹管材质多选用Inconel、Incoloy耐蚀合金钢或18-8系奥氏体不锈钢。表1-1所示为部分催化裂化装置再生器至三旋烟道膨胀节应用的概况：
表1-1 部分催化裂化装置再生器至三旋烟道膨胀节应用概况
再生器至三旋烟道管系一般为平面“Z”形弯管型式，如图1-1。这种管系的热膨胀变形常通过复式铰链型、万向铰链型膨胀节的角位移或复式拉杆型、复式拉杆带比例连杆型膨胀节的横向位移来吸收[1]。其中，复式铰链型膨胀节由中间管连接的两个波纹管及销轴、铰链板和立板等结构件组成，只能吸收一个平面内的横向位移及角位移并能承受波纹管压力推力。万向铰链型膨胀节由一个波纹管及销轴、铰链板、万向环和立板等结构件组成，能吸收任一平面内的角位移并能承受波纹管压力推力，这里通常设置两个或多个万向铰链型膨胀节。复式拉杆型膨胀节由中间管连接的两个波纹管及拉杆、端板和球面、锥面垫圈等结构件组成，能吸收任一平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力。复式拉杆带比例连杆型膨胀节（如图1-2）是复式拉杆型和比例连杆复式自由型膨胀节的结合，由中间管连接的两个波纹管、复式拉杆、比例连杆等结构件组成；比例连杆起到平均分配两组波纹管位移的作用，中间管的重量也由比例连杆来支承，此外比例连杆装置还有一个非常重要的作用就是改善了管道的振动特性；而波纹管的压力推力则由拉杆装置来吸收；复式拉杆带比例连杆型膨胀节只能吸收横向位移[2]。
图1-1再生器至三旋烟道管系 图1-2 复式拉杆带比例连杆型膨胀节
对于再生器至三旋烟道，由于烟气温度高、组分复杂，波纹管既要承受高温下的化学腐蚀（氧化及敏化），又要面对潜在的低温烟气电化学腐蚀及应力腐蚀[3]。再生器至三旋烟道膨胀节波纹管材质多选用Inconel625、Incoloy825、Incoloy800或321奥氏体不锈钢。表2-1所示为膨胀节波纹管不同材质的化学成分[4]。
理论上，随着含镍量的提高，抵抗硫、氯离子的应力腐蚀抗力也相应提高，因此制造膨胀节波纹管的材料，在满足高温性能的基础上，从含镍9-12%的18-8系奥氏体不锈钢，含镍30-35%的Incoloy800，含镍38-46%的Incoloy825到含镍大于60%的Inconel625，逐步升级。因此，Inconel625和Incoloy825是其中综合性能最优的材料。Inconel625是Ni基Cr-Ni-Mo高温合金，并加入了稳定化元素Nb，具有良好的耐高温、抗敏化和抗硫酸、连多硫酸及氯离子应力腐蚀的能力；Incoloy825是钛稳定化处理的全奥氏体Ni-Cr合金，并添加了Cu和Mo，具有良好的耐应力腐蚀开裂、耐点腐蚀和缝隙腐蚀、耐氧化性和非氧化性热酸等性能。在高温性能方面，Inconel625适用于催化裂化装置650℃以上高温部位，如再生斜管、待生斜管、外取热器下斜管、再生器至三旋烟道、三旋至烟机烟道、三旋至降压孔板烟道等；相比之下，Incoloy825更适用于550℃以下的部位，如烟机出口烟道、降压孔板至余锅烟道等。
表2-1 膨胀节波纹管材质的化学成分（质量分数%）
经调研，再生器至三旋烟道膨胀节易发生泄漏问题。一旦发生泄漏，装置将被迫降低处理量和再生压力，采取在线包盒子的方法进行临时堵漏处理，带缺陷运行至装置停工检修时对该膨胀节进行更换。如：2014年某100万吨/年催化装置再生器至三旋烟道膨胀节（复式铰链型）波纹管出现泄漏，在线包盒子处理，装置检修时进行更换；2010年、2015年某100万吨/年催化装置再生器至三旋烟道膨胀节（复式铰链型）波纹管出现泄漏，在线包盒子处理，装置检修时进行更换；2020年某220万吨/年催化装置再生器至三旋烟道膨胀节（复式拉杆带比例连杆型）波纹管出现泄漏，在线包盒子处理，装置检修时进行更换。
2 再生器至三旋烟道膨胀节波纹管泄漏原因概述
分析膨胀节波纹管泄漏的原因，除了设计选型不当、制造缺陷、安装施工质量、蠕变失稳、疲劳破坏等原因外，还有腐蚀破坏、冲刷侵蚀等。
烟气中含有一定量的水蒸气，烟气进入波纹管与导流筒的空隙后，可能在波纹管内部降到其露点温度以下，形成冷凝水。而烟气中的SO42-、SO2、NOx等极性气体极易溶于水，形成酸性溶液，构成产生应力腐蚀裂纹的腐蚀介质和电化学反应条件，从而使波纹管发生腐蚀。烟气露点温度的高低取决于烟气中水蒸气分压和SO42-、SO2、NOx等的浓度，当烟气中的SO42-、SO2、NOx等与水蒸气结合形成酸蒸汽，可将烟气露点温度提高到180 ℃。而且，膨胀节内表面还可能处于干湿交替环境，腐蚀性液体经过反复浓缩，其离子浓度、酸度大大提高，构成了波纹管低温电化学腐蚀（含应力腐蚀）的液体环境。实际上，Inconel625、Incoloy825等高镍奥氏体合金对硫、氯离子的应力腐蚀也并非是免疫的，在特定条件下仍无法避免应力腐蚀的发生[5]。此外，当导流筒与波纹管之间的封堵填充物脱落或导流筒发生破损后，烟气将更加容易与波纹管接触，造成腐蚀；同时，携带催化剂粉尘颗粒的、高速流动的烟气也会对波纹管产生冲刷侵蚀。
3 某催化装置再生器至三旋烟道膨胀节波纹管泄漏情况
某220万吨/年催化裂化装置再生器至三旋烟道膨胀节采用复式拉杆带比例连杆型，通径为2400mm，设计温度760℃，工作温度700℃，设计压力0.43MPa，工作压力0.23MPa，波纹管材质选用Inconel 625（Grade 2）（固溶），波纹管设置为双层结构，1.5mm厚，上下波纹管均为三波，波高66mm，波距80mm，设计横向位移70mm，设计疲劳寿命3000次。该膨胀节于2014年8月投入使用。
2020年6月11日，该膨胀节上波纹管发生泄漏（自上波纹管外保护罩缝隙中喷出烟气、水汽），见图3-1：
图3-1 膨胀节上波纹管泄漏情况
之后，又发现该膨胀节上波纹管一拉杆加强板透气孔处漏烟气，判断为端板与筒体焊缝部位发生泄漏，见图3-2、图3-3：
图3-2 拉杆加强板透气孔处泄漏 图3-3拉杆加强板处结构
4 膨胀节波纹管泄漏原因分析
该膨胀节泄漏的原因，排除设计选型不当、制造缺陷、安装施工质量、蠕变失稳、疲劳破坏等因素后，分析为腐蚀破坏、冲刷侵蚀共同作用的结果。该膨胀节上部3米处设置有两台烟道降温喷嘴（如图4-1），由于该装置再生器为单段再生型式，生产中再生器稀相常出现尾燃现象，造成再生器出口烟气温度超标，操作上采用喷水、喷汽降温的方式进行控制，喷水量最大达20t/h。这样，再生器出口烟气中水汽含量大大增加，就可能在膨胀节波纹管处形成烟气低温露点腐蚀的环境。其次，烟道降温喷嘴距离膨胀节距离非常近，降温水喷入烟道后急剧汽化，对烟气流动状态产生扰动，可能对膨胀节内部导流筒产生冲刷侵蚀；若喷嘴雾化效果不佳，烟气夹带着局部大量水、汽下行，对喷嘴下方的烟道衬里、膨胀节导流筒产生冲刷侵蚀，导流筒一旦破坏后，波纹管就直接暴露在烟气腐蚀和冲刷作用下，更容易发生泄漏。
图4-1 烟道降温喷嘴与膨胀节
后来，装置停工检修时的设备鉴定情况也验证了以上原因分析：烟道降温喷嘴下部衬里被冲刷出宽约20cm的沟槽，并一直延伸至膨胀节上波纹管导流筒处（见图4-2）；膨胀节上波纹管导流筒局部破坏严重，露出了波纹管（见图4-3，侧拉环处为破损的导流筒，Ω保温钉处为波纹管）；烟道降温喷嘴喷口破损严重，成为不规则形状（见图4-4）。
图4-2 喷嘴下部衬里冲刷 图4-3 波纹管导流筒破坏 图4-4 喷嘴喷口破损
5 膨胀节波纹管泄漏处理措施
5.1 膨胀节包盒子堵漏并补强
该膨胀节泄漏后，采用在线包盒子并外部加固的方法进行临时处理，待装置停工检修时对该膨胀节进行了更换。
首先，对上波纹管进行包盒子处理。使用10mm厚316L钢板卷筒后，分割为若干块，设置在上波纹管外护罩与膨胀节拉杆、比例连杆之间的空隙中，焊接生根在膨胀节上端板和上波纹管下部护罩环板上。
因膨胀节上下端板、护罩环板和中间筒节均为碳钢材质，为防止烟气对端板、护罩环板和中间筒节腐蚀后再次造成泄漏，决定对膨胀节中间筒节、下波纹管使用10mm厚316L钢板整圈包盒子。在此之前，在膨胀节上下端板及上下波纹管护罩环板外侧均贴焊一层10mm厚316L钢板。
盒子主体焊接完毕后，还剩余两侧比例连杆处局部无法焊接。这是由于波纹管外护罩与比例连杆之间空隙较小，设置包盒子用钢板后，就无法将焊把伸入钢板与比例连杆之间。因此需将比例连杆临时拆除以补全焊缝。比例连杆在装置运行状态下的位移量虽已达到最大状态，但由于比例连杆还承受着膨胀节中间筒节的重量，因此在拆除之前还需要对中间筒节和膨胀节整体进行临时固定，以防止波纹管产生过度变形。临时固定使用8根加固槽钢，按圆周等分排列，槽钢两端焊接生根于膨胀节上下端板上，中部增加固定鞍座焊接生根于膨胀节中间筒节盒子外表面。这样就将膨胀节整体进行了临时固定。拆除比例连杆时，将上中下3个鞍座组件中的立板在方便操作处同一高度进行割除（共计12 块立板），便可将比例连杆整体取下。切割过程需保证切割表面平整，方便后续焊接。两侧比例连杆处盒子焊缝焊接完毕后，先在切割后留在膨胀节筒体上的鞍座组件立板上满焊加装一块垫板，再将比例连杆组对到位后与加装垫板进行满焊，以保证比例连杆的固定强度。
5.2 操作调整措施
为了降低烟气中水汽含量，减缓烟气对膨胀节的腐蚀，操作上一方面采取调节装置原料油性质、再生器藏量，添加助燃剂等措施减缓再生器稀相尾燃程度；另一方面调整烟道降温蒸汽、水的开度，尽可能关小降温蒸汽、水开度，必要时优先开大降温蒸汽，当蒸汽全开时再开降温水。装置停工检修时，一方面在再生器内增加强化烧焦格栅，对待生剂分布器进行改造，以降低再生器稀相尾燃发生的几率和程度，另一方面将烟道降温喷嘴更新为CS-ⅡA型喷嘴，蒸汽侧设置孔板，始终保持全开状态，以保证雾化效果，操作上仍按照尽可能关小降温水的原则进行控制。
结束语
某催化装置再生器至三旋烟道膨胀节波纹管发生泄漏故障，究其原因主要是烟道降温大量喷水对膨胀节内套筒和波纹管造成的腐蚀破坏和冲刷侵蚀。故障发生后，采用在线包盒子补强的方法进行临时处理，操作上采取降低降温喷水流量的方法进行调整，坚持运行到装置停工检修后对该膨胀节和烟道降温喷嘴进行更换，还在再生器内增加了强化烧焦格栅，对待生剂分布器进行改造，以改善再生尾燃状况。总之，对于该膨胀节，降低烟气温度，减少降温喷水对其不利影响，才能保证它能够安全平稳长周期运行。
参考文献
[1] 李永生,李建国.波形膨胀节实用技术——设计、制造与应用[M].北京:化学工业出版社, 2000: 122.
[2] 国家市场监督管理总局,中国国家标准化管理委员会.金属波纹管膨胀节通用技术条件:第3部分 术语和定义: GB/T 12777-2019[S].北京:中国标准出版社, 2019: 2.
[3] 傅向民,罗杰英,王雷等. RFCC波形膨胀节腐蚀成因及对策[J].压力容器, 2006, 23(7): 49-52.
[4] 中华人民共和国工业和信息化部.耐蚀合金冷轧板:第5部分 化学成分:YB/T 5354-2012[S].北京:中国标准出版社, 2012: 4.
[5] 张海,谢圣利. 3.5Mt/a重油催化裂化装置膨胀节开裂原因分析[J].石油和化工设备, 2011, 14: 55-58.
第一作者简介：陈俊芳（1981-），男，河北经贸大学工程管理硕士，现在中石化石家庄炼化分公司从事设备管理工作，高级工程师。
