FCC装置再生系统焊接失效分析与故障机理研究
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摘要
本文基于国内某大型石化炼油厂FCC装置再生系统第二催化裂化装置再生器上的故障机理，焊接裂纹的成因及是否危及再生器的安全生产进行了探索。通过再生器工艺环境的分析、材料成份及力学性能的测试、金相及断口观察等工作，找到了再生器腐蚀开裂的原因。采取提高壁温的措施避免了烟气酸性冷凝液存在，有效地控制了腐蚀裂纹的扩展。根据《压力容器缺陷评定规范》(CVDA—1984)，对经全面检修的再生器过渡段进行了应力分析计算，结合可能存在最大裂纹的实际情况，对再生器的安全性做了分析。
本文认为再生器出现的裂纹是应力腐蚀引起的，导致再生器应力腐蚀开裂的因素有三个：一是有烟气酸性冷凝液存在的腐蚀环境；二是与腐蚀介质对应的材质；三是材料应力的存在。
从工艺环境分析可了解再生系统烟气的形成，烟气在特定的工艺操作条件下形成的冷凝液的腐蚀作用。通过对再生烟气化学成份的分析，了解到烟气中含有氮化物(NOx)和硫化物(SOx)，因而冷凝液含
人原理下人带1一程硕卜今位谕文
有对再生器材料腐蚀敏感的离子成份，分析证实烟气凝液中含有Nox、
Sox竺及C1一等阴离子。由于再生器器壁温度低于烟气的露点温度，因
而再生器有了产生裂纹的腐蚀环境。
从材料化学成份、力学性能的分析与测试，表明再生器腐蚀开裂
前后的化学成份和力学性能无明显差异。通过金相观察，也表明再生
器腐蚀前后的金相组织无明撇变化。如果不是存在裂纹扩展廿致开
裂，材料仍处在一可用范围。
从裂纹断口形貌及腐蚀产物检验与分析，观察到裂纹面无明显的
塑性变形，裂纹开裂的形态是沿晶开裂，以及腐蚀产物中含有NO=，。
NO弋是极易使低碳钢产生应力腐蚀的阴离子。
应力计一算分析结果表明，最大应力位于再生器过渡段与上筒体连
接处的内侧面，最大弯曲应力(SMXB)为2 1 7.328MPa，最大总应力(SMX)
为1 96.23M尸a。
按照《从力容器缺陷评定规范》(CVDA—1 984)，结合再生器外
保温提高壁温后的实际使用情况，假设己隔离了导致应力腐蚀开裂的
腐蚀环境，采用线弹性断裂力学的应力强度因子法，对再生器的裂纹
做了安个分析。分析结果表明再生器经过修复后目前存在的裂纹是允
许的，再z上器可安个使用。这与再生器的实际情况是相符的。
This paper presents discussion on whether the welding cracking on the second FCCU regenerator in the Refinery Plant of a large Petro-Chemical Corporation affects its safe operation or not. Through analysis on operation condition, material composition, mechanical properties, metallurgical tests and fracture observation, it was found that the cause of the failure was due to the stress corrosion cracking (SCC)of the regenerator. Measures such as to raise the wall temperature were proposed to avoid the condensation of acid containing flue gas and to prohibit the further spreading of the existing cracking effectively. According to the Code for Pressure Vessel
Defects Assessment (CVDA-1984), stress analysis and safety assessment was presented for the regenerator post overhaul with the consideration of actual conditions that there might initiate the possible cracking.
It is concluded that the cracking on the regenerator was caused by stress corrosion cracking owing to the following three factors. Firstly, corrosive environment of acid containing flue gas and its condensation; Secondly, corresponding enhancement of medium and material to corrosion; Thirdly, the existence of tensile stress in the structure material.
It is known from the operation process that there exist flue gases containing harmful compounds which may condense to form corrosive fluid in certain condition. Based on the analysis of chemical composition of regenerated fluid gas, there exist NOx , S0x2 and Cl in the condensed fluid. As the inside wall temperature of the regenerator is lower than dew point temperature of the harmful gases, such gases are easily condensed to create the right environment for the cracking initiation and development.
The analysis and test of chemical composition of material and mechanical properties before and after the failure. Metallurgical examinations show there are no obvious changes in metallurgical structure before and after the failure. If there were no the cracking, which spread and lead to cracks, the material ' would be within the range of acceptable application.
From the examinations and analysis of fracture figure of cracking corrosive products, it was observed that there were no obvious plastic on fracture faces. The cracking is intergranular and containing NO3- in the corrosive products. NO3 is a kind of anion which may cause low carbon steel stress corrosion cracking easily.
The results of stress analysis and calculation show that, the maximum stress lies in the inside face of the connection between transition cylinder and upper cylinder with the value of'217. 328Mpa. According to the
Code for Pressure Vessel Defects Assessment (CVDA-1984) and stress intensity factor method of linear elastic fracture
mechanics analysis with the consideration of the actual conditions, SCC is the main cause of the failure of the regenerator. The results show the cracking on the regenerator after repair is allowable, and the regenerator can be used safely. This is in accordance with the actual conditions of regenerator.
本文认为再生器出现的裂纹是应力腐蚀引起的，导致再生器应力腐蚀开裂的因素有三个：一是有烟气酸性冷凝液存在的腐蚀环境；二是与腐蚀介质对应的材质；三是材料应力的存在。
从工艺环境分析可了解再生系统烟气的形成，烟气在特定的工艺操作条件下形成的冷凝液的腐蚀作用。通过对再生烟气化学成份的分析，了解到烟气中含有氮化物(NOx)和硫化物(SOx)，因而冷凝液含
人原理下人带1一程硕卜今位谕文
有对再生器材料腐蚀敏感的离子成份，分析证实烟气凝液中含有Nox、
Sox竺及C1一等阴离子。由于再生器器壁温度低于烟气的露点温度，因
而再生器有了产生裂纹的腐蚀环境。
从材料化学成份、力学性能的分析与测试，表明再生器腐蚀开裂
前后的化学成份和力学性能无明显差异。通过金相观察，也表明再生
器腐蚀前后的金相组织无明撇变化。如果不是存在裂纹扩展廿致开
裂，材料仍处在一可用范围。
从裂纹断口形貌及腐蚀产物检验与分析，观察到裂纹面无明显的
塑性变形，裂纹开裂的形态是沿晶开裂，以及腐蚀产物中含有NO=，。
NO弋是极易使低碳钢产生应力腐蚀的阴离子。
应力计一算分析结果表明，最大应力位于再生器过渡段与上筒体连
接处的内侧面，最大弯曲应力(SMXB)为2 1 7.328MPa，最大总应力(SMX)
为1 96.23M尸a。
按照《从力容器缺陷评定规范》(CVDA—1 984)，结合再生器外
保温提高壁温后的实际使用情况，假设己隔离了导致应力腐蚀开裂的
腐蚀环境，采用线弹性断裂力学的应力强度因子法，对再生器的裂纹
做了安个分析。分析结果表明再生器经过修复后目前存在的裂纹是允
许的，再z上器可安个使用。这与再生器的实际情况是相符的。
This paper presents discussion on whether the welding cracking on the second FCCU regenerator in the Refinery Plant of a large Petro-Chemical Corporation affects its safe operation or not. Through analysis on operation condition, material composition, mechanical properties, metallurgical tests and fracture observation, it was found that the cause of the failure was due to the stress corrosion cracking (SCC)of the regenerator. Measures such as to raise the wall temperature were proposed to avoid the condensation of acid containing flue gas and to prohibit the further spreading of the existing cracking effectively. According to the Code for Pressure Vessel
Defects Assessment (CVDA-1984), stress analysis and safety assessment was presented for the regenerator post overhaul with the consideration of actual conditions that there might initiate the possible cracking.
It is concluded that the cracking on the regenerator was caused by stress corrosion cracking owing to the following three factors. Firstly, corrosive environment of acid containing flue gas and its condensation; Secondly, corresponding enhancement of medium and material to corrosion; Thirdly, the existence of tensile stress in the structure material.
It is known from the operation process that there exist flue gases containing harmful compounds which may condense to form corrosive fluid in certain condition. Based on the analysis of chemical composition of regenerated fluid gas, there exist NOx , S0x2 and Cl in the condensed fluid. As the inside wall temperature of the regenerator is lower than dew point temperature of the harmful gases, such gases are easily condensed to create the right environment for the cracking initiation and development.
The analysis and test of chemical composition of material and mechanical properties before and after the failure. Metallurgical examinations show there are no obvious changes in metallurgical structure before and after the failure. If there were no the cracking, which spread and lead to cracks, the material ' would be within the range of acceptable application.
From the examinations and analysis of fracture figure of cracking corrosive products, it was observed that there were no obvious plastic on fracture faces. The cracking is intergranular and containing NO3- in the corrosive products. NO3 is a kind of anion which may cause low carbon steel stress corrosion cracking easily.
The results of stress analysis and calculation show that, the maximum stress lies in the inside face of the connection between transition cylinder and upper cylinder with the value of'217. 328Mpa. According to the
Code for Pressure Vessel Defects Assessment (CVDA-1984) and stress intensity factor method of linear elastic fracture
mechanics analysis with the consideration of the actual conditions, SCC is the main cause of the failure of the regenerator. The results show the cracking on the regenerator after repair is allowable, and the regenerator can be used safely. This is in accordance with the actual conditions of regenerator.
引文
[1] 柳曾典 顾望平等 第二催化裂化装置再生器开裂失效分析《石油化工设备技术》1998年第6期(43～47)
[2] 罗力更 压力容器的安全分析与断裂控制《炼油设备设计》1982年第4期 (51～60)
[3] 何振岐 矍军 催化裂化装置再生器等设备产生裂纹的原因及处理措施 《石油化工设备技术》1998年第4期(50～54)
[5] 鲁济等 FCC 系统中重沸器破裂原因分析《石油化工设备技术》1997年第1期(51～54)
[6] 王克庭 骆晨钟 邵惠鹤 催化裂化装置反应再生系统动态过程模的造立与仿真《炼油设计》1998年第2期(63～68)
[7] 刘瑞丰 催化裂化装置再生烟气管道设计原理和失效原因分析《炼油设计》1993午第5期(48～51)
[8] 五正则 催化裂化装置反应再生工艺设备的大型化《炼油设计》1996年第3期(37～41)
[9] 候言超 催化裂化装置的富氧再生技术《炼油设计》1997年第5期(10～12)
[10] 吴清可 《防断裂设计》北京 机械工业出版社 1995
[11] 杨黎明 黄凯等 《机械设计手册》(上、中、下)第三版 北京 国防工业出版社 1994
[12] 《化工厂机械手册》编辑委员会 《化工厂机械手册》北京 化学工业出版社 1993
[13] 全国压力容器标准化技术委员会 《压力容器相关标准汇编》(上、下卷)第三版 北京 标准化出版社 1998
[14] 李建国 JB4732《钢制压力容器分析设计标准》的若干问题……第一版广东省压力容学会 广州市锅炉压力容器检验所 1998
[15] 彭福泉 《金属材料实用手册》 第二版 北京 机械工业出版社 1987
[16] 史美堂 《金属材料及热处理》第十版 上海科学技术出版社 1987
[17] 陈国理 《压力容器及化工设备》(上、下)第二版 广州华南理工大学出版社 1995
[18] 荆树峰 曾广欣 高世国译 《国外压力容器缺陷评定标准》 北京 劳动出版社 1982
[19] 林钧富 周道祥 李泽震 《压力容器缺陷评定》北京 中国石化出版社 1992
[20] 压力容器缺陷评定规范编制组《压力容器缺陷评定规范》(CVDA—1984) 压力容器、化工机械、石油化工设备出版社联合出版社 1985
[21] Satish Tamhankar, Raghu Minon, Ting Chou.Enrichment Can
Decrease NOx and Sox Formation, Oil & Gas Journal. Feb,26,1996
[22] XinjinShao, A.W, Perters,G.W. Weatherbee.Nitrogen Chemistr and NOx Control in a Fluid Cracking Regenerator, Ind. Eng. Chem. Res.1997,36,4535～4542
[23] RaghuMenon, TingChou,Satish Tamhankar. Proper Choice Of O2 Supply Enhance Enhance Enrichment Benefits.Oil & Gas ournal. Mar,4.1996
[24] 钱兵 催化裂化再生器的应力腐蚀分析与防止措施 压力容器，2000，17(4)
[25] 茂石化公司历年关于催化裂纹装置再生器的使用及缺陷处理的报告等资料 1995～2000
[26] Parkins R.N,Paper E-3 presented at the International 11Conference on Steress Corrosion Cracking and Hydrogen 11 Embrittlement of Iron Base Alloys,Unieux-Firminy, 111 France, 1973
[27] Treseder R.N.,Influence of Yield Strength on Anodic Istress Corrosion Cracking Resistancn of Weldable Carbm land low Alloy Steel with Yield Strength Below 100lksi,WRC Bulletin 243,1978.
[28] ParkinsR.N,etal,Brit. Corrosion,8, 117(1973). WRC. 1 Bulletin.243
[29] 茂石化公司 Fcc 装置再生系统产生裂纹问题的探讨资料 2001
[30] 重油催化裂化装置设备应力腐蚀开裂的调研报告及解决对策探
讨 中国石化北京设计院 2002．5
[31] 徐煜达 Y-501 再生塔燃烧断裂现场处理 《压力容器》2001年第5期 (66～69)
[32] 肖迪红等 软水加热器腐蚀失效分析 《压力容器》2001年第期 (60～64)
[33] 崔虹雯 多裂纹对压力容器断裂前泄漏分析的影响 《压力容器》 2001年第6期 (816)
[34] 刘金依等 强度组配对含有横向裂纹焊接接头 J 积分的影响 2002年第3期 (147～152)
[35] 周勇军等 ANSYS 软件在调节阀阀芯型线设计中的应用《化工机械》 2002年 第6期 (323～326)
[2] 罗力更 压力容器的安全分析与断裂控制《炼油设备设计》1982年第4期 (51～60)
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[13] 全国压力容器标准化技术委员会 《压力容器相关标准汇编》(上、下卷)第三版 北京 标准化出版社 1998
[14] 李建国 JB4732《钢制压力容器分析设计标准》的若干问题……第一版广东省压力容学会 广州市锅炉压力容器检验所 1998
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[33] 崔虹雯 多裂纹对压力容器断裂前泄漏分析的影响 《压力容器》 2001年第6期 (816)
[34] 刘金依等 强度组配对含有横向裂纹焊接接头 J 积分的影响 2002年第3期 (147～152)
[35] 周勇军等 ANSYS 软件在调节阀阀芯型线设计中的应用《化工机械》 2002年 第6期 (323～326)
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