催化裂化煙氣輪機(jī)及煙氣管線故障分析

李超，李鳳宇，宋林，崔問師，吳忠義

（大慶煉化公司煉油一廠一套ARGG車間， 黑龍江 大慶 163411）

1 煙氣管線泄漏分析

1.1 情況說明

（1）2019年10月11日三旋出口至雙動滑閥三通沖制部位相貫線處出現(xiàn)裂紋，分別于11日、12日兩天先后處置裂紋并補(bǔ)強(qiáng)，具體情況見圖1。

圖1

（2）10月20日煙氣管線至煙氣輪機(jī)水平段1420×1220×500大小頭處發(fā)現(xiàn)裂紋，具體情況見圖2。

圖2

1.2 原因分析

1.2.1 應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）腐蝕的特征非常明顯，均是由外向內(nèi)開裂，排除了因介質(zhì)原因造成的開裂。

1.2.2 腐蝕原因及機(jī)理

應(yīng)力腐蝕是拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)共存時(shí)引起的腐蝕破裂。殘余應(yīng)力在本次泄漏事件中主要是焊道在焊接過程中的殘余應(yīng)力。發(fā)生SCC的基本條件：①材料因素：不銹鋼的合金元素鎳決定了發(fā)生SCC的敏感性，其含鎳量在8%～10%的范圍內(nèi)，更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。②環(huán)境因素：氯離子是最為常見的造成奧氏體不銹鋼SCC的腐蝕介質(zhì)，其他鹵化物，如溴化物、碘化物等，也會造成奧氏體不銹鋼SCC；③力學(xué)因素：焊接殘余應(yīng)力，冷加工殘余應(yīng)力和運(yùn)行工況下的循環(huán)應(yīng)力都是拉應(yīng)力的來源。當(dāng)這些拉應(yīng)力的組合超過一定的限度時(shí)，將使金屬很容易發(fā)生SCC。奧氏體不銹鋼的氯化物SCC，最普遍接受的是陽極溶解機(jī)理，即陽極金屬的不斷溶解導(dǎo)致了應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)散，當(dāng)裂紋一旦形成，裂紋尖端的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋尖端前沿區(qū)發(fā)生迅速屈服，晶體內(nèi)位錯(cuò)沿著滑移面連續(xù)地到達(dá)裂紋尖端前沿表面，產(chǎn)生大量瞬間活性溶解質(zhì)點(diǎn)，導(dǎo)致裂紋尖端（陽極）快速溶解。

1.3 主要腐蝕原因

（1）三旋至雙動滑閥應(yīng)力開裂原為雙動滑閥關(guān)閉后兩側(cè)膨脹嚴(yán)重不同步造成的（本次檢修更換了雙動滑閥閥板、修復(fù)了雙滑節(jié)流錐處襯里，雙動滑閥密封性能得到極大改善）。且垂直管段無吸收膨脹的方式，造成沖制管件開裂。如圖3所示一套ARGG裝置三旋出口垂直管段并無吸收膨脹設(shè)備，溫差過大極易造成管線應(yīng)力開裂。

圖3

（2）有可能存在的焊接缺陷。煙氣管線更換日期為2013年9月，出現(xiàn)開裂時(shí)間為2017年之后，如圖4。

當(dāng)初更換部分為除垂直管段外全部進(jìn)行了更換，包括7個(gè)膨脹節(jié)、3個(gè)三通、1件大小頭以及水平管段。近幾年發(fā)生泄漏部位均為設(shè)備焊道部位如圖4所示，泄漏位置多數(shù)集中在水平管段焊道。

（3）設(shè)計(jì)膨脹系數(shù)不能滿足拉伸。如圖所示煙氣管線在熱態(tài)情況下是自右向左拉伸，膨脹節(jié)沒能完全吸收膨脹，是致使水平管段焊道發(fā)生斷裂的誘發(fā)因素之一。

圖4

（4）防腐保溫材料Cl-離子含量超標(biāo)。GB/T 17393-2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規(guī)范》規(guī)定可溶出Cl-和F-總和不得超過0.06%，SHS 01033-2004《設(shè)備及管道保溫、保冷維護(hù)檢修規(guī)程》要求Cl-含量不得超過0.002%，設(shè)備管段的初始設(shè)計(jì)也要求執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)文獻(xiàn)《奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂研究進(jìn)展》一文的結(jié)論，溫度越高304不銹鋼SCC越敏感，在溫度低于100℃且氯離子濃度低于100000μg/g工況下，其SCC敏感性較低；當(dāng)超過溫度或氯離子濃度后，SCC敏感性急劇增加。煙氣管線防腐材料Cl-析出情況如圖5所示：保溫層裸露部分發(fā)現(xiàn)淺黃綠色痕跡，符合氯化物的物理性質(zhì)，保溫材料氯離子析出肉眼可見，推斷隔熱材料氯離子含量超標(biāo)，加快了應(yīng)力腐蝕開裂SCC速度。

圖5

1.4 下步措施

（1）聯(lián)系設(shè)計(jì)部門對煙氣管線進(jìn)行重新核算和設(shè)計(jì)，爭取在下個(gè)檢修周期進(jìn)行改造以消除應(yīng)力。

（2）對現(xiàn)有的22處焊道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，采用焊接固定不銹鋼板的方式進(jìn)行加固，防止裂紋出現(xiàn)擴(kuò)大化，現(xiàn)已經(jīng)加固12處焊道。

（3）重新更換保溫材料，按照GB/T17393-2008《覆蓋奧氏體不銹鋼用絕熱材料規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行采購，施工過程嚴(yán)格執(zhí)行SHS 01033-2004《設(shè)備及管道保溫、保冷維護(hù)檢修規(guī)程》相關(guān)要求。

（4）在現(xiàn)有工藝條件下保持雙動滑閥微小開度，讓煙氣兩路去向膨脹更為均勻。

2 YL10000C煙氣輪機(jī)振動高故障停機(jī)分析

2.1 情況說明

2.1.1 設(shè)備簡介

一套ARGG裝置煙氣輪機(jī)型號為YL10000C，由中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司蘭州石油化工裝備分公司生產(chǎn)制造。

煙機(jī)主要性能參數(shù)：介質(zhì)：催化再生煙氣；進(jìn)氣溫度：660℃；進(jìn)氣壓力：0.31MPa（A）；進(jìn)口流量：150000m3n·h；輸出功率：10500kW；額定轉(zhuǎn)速：5838r/min；跳閘轉(zhuǎn)速：6247r/min

2.1.2 近期檢修及運(yùn)行情況

2018年至2019年共檢修6次，煙機(jī)具體運(yùn)行情況如下：

（1）2018年1月15日、3月25日、7月11日、8月18日檢修處理結(jié)垢問題。

（2）2018年10月31日裝置停工期間，對煙機(jī)進(jìn)行檢修。

（3）2019年8月15日至9月5日裝置停工檢修，煙機(jī)檢修，更換過渡襯環(huán)、靜葉組、煙機(jī)轉(zhuǎn)子、氣封體和蜂窩密封，9月16日開機(jī)后煙機(jī)前振16.3μm、后振27.4μm，殼體振動5.2mm/s。對靜葉角度進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，更換后的靜葉角度由33.2°調(diào)整為32.8°，進(jìn)一步提高煙機(jī)回收能力。9月16日11:00主風(fēng)機(jī)組啟機(jī)，各軸瓦溫度、振動均正常；煙機(jī)前振最高16.3μm、后振27.4μm，至10月31日17:10停機(jī)累計(jì)運(yùn)行45天，約1086h。

2.1.3 故障經(jīng)過

（1）2019年10月31日17:10煙機(jī)運(yùn)行正常，前振YIA1461A/B振值分別為15.9μm和18.5μm、后振YIA1462A/B振值分別為15.9μm和17.6μm。

（2）2019年10月31日17:10:30煙機(jī)前振YIA1461A/B分別升至48μm和31.4μm，煙機(jī)后振YIA1462A/B分別升至31.6μm和23.2μm，隨即恢復(fù)原值，未觸發(fā)報(bào)警（報(bào)警值為50，聯(lián)鎖值為80），見圖1。

（3）2 0 1 9 年1 0月3 1 日1 7:1 0:4 5 煙機(jī)振動Y I A 1 4 6 1 A/B、YIA1462A/B振值再次突然升高，YIA1461A振值超量程（無顯示），Y I A 1 4 6 1 B 振值升至152μm，YIA1462A振值升至156μm，YIA1461B振值升至126μm，機(jī)組前后振分別觸發(fā)2取2聯(lián)鎖停機(jī)，其中前振為第一聯(lián)鎖，見圖2。

2.2 初步原因分析

2.2.1 解體檢查情況

（1）拆除煙機(jī)導(dǎo)流錐時(shí)發(fā)現(xiàn)靜葉組脫落，25片靜葉片排氣側(cè)損壞（共43片），如圖3、圖4。

圖1 煙機(jī)前后振第一次突然上升

圖2 煙機(jī)前后振第二次突然上升

圖3

圖4

（2）解體檢查，12條雙頭螺柱全部脫落，其中8條基本完好，仍在靜葉組上；剩余4條掉落，有不同程度磨損，最嚴(yán)重的4號螺柱總長為67mm；所有螺母均在螺栓上。導(dǎo)流錐上的母扣均有1-4扣脫落，附著在螺栓上。此次螺栓為按圖紙規(guī)格原廠新定。

圖5

圖6

（3）5條鎖片完好，另1條鎖片遭到大量磨損，所剩無幾。鎖片均進(jìn)行了防松處理。見圖7。

（4）煙機(jī)輪盤外沿至蜂窩密封配合面處嚴(yán)重磨損，寬度約80mm，蜂窩密封配合面的內(nèi)徑方向有約20mm寬的刮磨亮痕。

（5）導(dǎo)流錐冷卻蒸汽入口內(nèi)部焊道開裂，端部防裂擋板為8mm厚螺栓過孔（φ20）與緊固面螺紋孔（φ18）發(fā)生扭轉(zhuǎn)錯(cuò)位。

圖7

圖8

圖9

圖10

（6）從靜葉組進(jìn)氣端看，靜葉迎風(fēng)面完好，僅一片靜葉從根部開裂，部分靜葉排氣側(cè)崩邊破損。

圖11

圖12

2.2.2 工藝運(yùn)行和操作原因分析

停機(jī)前，煙機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，煙機(jī)出入口壓力、溫度、入口流量和位移均正常。

圖13

2.2.3 葉片結(jié)垢原因分析

動、靜葉片涂層完好未結(jié)垢，見圖14、圖15。

2.2.4 檢維修和安裝原因分析

（1）2019年8月15日至9月5日煙機(jī)檢修，更換過渡襯環(huán)、靜葉組、煙機(jī)轉(zhuǎn)子、氣封體和蜂窩密封，并增設(shè)煙機(jī)前后振2取2聯(lián)鎖（聯(lián)鎖值80μm）。各部間隙如表1，各部間隙符合檢修規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14

圖15

表1

（2）靜葉片進(jìn)氣側(cè)完好，25片葉片排氣側(cè)崩邊破損；動葉片進(jìn)氣側(cè)基本完好，排氣側(cè)有沖擊破損，說明當(dāng)時(shí)的沖擊來源于動靜葉之間，排除異物從靜葉組入口進(jìn)入發(fā)生碰撞的可能。

圖16 靜葉片葉身損壞

圖17 動葉片葉身對應(yīng)位置完好

（3）輪盤蜂窩密封配合面內(nèi)緣處有20mm寬的刮磨亮痕，經(jīng)測量刮痕內(nèi)外徑為∮680×∮720mm，靜葉組緊固雙頭螺柱中心點(diǎn)直徑為∮680mm，說明該處亮痕是由于雙頭螺柱松脫后與輪盤刮蹭產(chǎn)生的。

圖18

（4）靜葉組輪盤外緣由螺栓撞擊造成的損傷和螺紋壓痕。

圖19

（5）從螺栓和鎖片的損壞情況判斷，本次故障中1、2號螺柱為一對，僅螺母與輪盤發(fā)生刮磨；3、4號螺柱由于螺母有鎖片固定無法發(fā)生轉(zhuǎn)動，但螺柱在煙氣的沖擊力產(chǎn)生的震動下逐漸發(fā)生松動并向外旋轉(zhuǎn)，直至螺柱外側(cè)觸碰輪盤，導(dǎo)致前后振振幅第一次變化，刮碰瞬間導(dǎo)致螺柱脫落，異常振動消失，隨后螺栓卷入動、靜輪盤之間，造成蜂窩密封、動靜葉片和輪盤嚴(yán)重磨損和刮蹭，巨大的沖擊力造成振幅的第二次變化進(jìn)而又造成其他螺栓松脫，靜葉組脫落，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)。原因可能是靜葉組改造6次，多次拆裝造成緊固面螺紋磨損，配合間隙增大，受熱膨脹后易產(chǎn)生松脫和緊固力不足。

圖20 嚴(yán)重磨損的螺栓

2.2.5 設(shè)計(jì)制造原因分析

（1）檢查靜葉組發(fā)現(xiàn)，一片靜葉片根部部位翹起，其他葉片根部存在不同程度的裂紋。靜葉安裝固定方式為矩形槽鑲嵌并焊接填充，存在強(qiáng)度不足的可能。

圖21 鎖片損壞情況

（2）靜葉組雙頭緊固螺栓存在設(shè)計(jì)缺陷，規(guī)格為M18螺距2.5，螺柱總長78mm。緊固螺紋長度為35mm；栽絲長度為18mm（1D）螺紋波數(shù)為5扣，經(jīng)試驗(yàn)，該螺栓實(shí)際有效螺紋僅3-4扣，旋入深度淺直接導(dǎo)致螺柱緊固力不足。

圖25

注：(1)防裂端板厚度約為8mm；(2)靜葉輪盤厚度40mm；(3)鎖片厚度2mm；(4)螺帽厚度15mm；(5)緊固面螺紋20mm

2.3 原因分析

2.3.1 直接原因

（1）靜葉組脫落與轉(zhuǎn)子碰磨，造成振動突然升高，連鎖停機(jī)。機(jī)組運(yùn)行過程中，在煙氣的沖擊力產(chǎn)生的震動和溫度升高螺栓膨脹預(yù)緊力降低同時(shí)作用下，有一根靜葉組緊固螺栓（4號）松動，由于螺母有鎖片固定，無法發(fā)生轉(zhuǎn)動，螺柱逐漸發(fā)生松動并向外旋轉(zhuǎn)，直至螺柱外側(cè)觸碰輪盤，導(dǎo)致前后振振幅第一次變化，刮碰瞬間導(dǎo)致螺柱脫落，異常振動消失，隨后螺栓卷入動、靜輪盤之間，造成蜂窩密封、動靜葉片和輪盤嚴(yán)重磨損和刮蹭，巨大的沖擊力造成振幅的第二次升高，進(jìn)而又造成其他螺栓松脫，靜葉組脫落，并與轉(zhuǎn)子輪盤碰磨，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)。

（2）從螺栓和鎖片的損壞情況判斷，本次故障中1、2號螺柱為一對，僅螺母與輪盤發(fā)生刮磨；3、4號螺柱由于螺母有鎖片固定無法發(fā)生轉(zhuǎn)動，但螺柱在煙氣的沖擊力產(chǎn)生的震動下逐漸發(fā)生松動并向外旋轉(zhuǎn)，直至螺柱外側(cè)觸碰輪盤，導(dǎo)致前后振振幅第一次變化，刮碰瞬間導(dǎo)致螺柱脫落，異常振動消失，隨后螺栓卷入動、靜輪盤之間，造成蜂窩密封、動靜葉片和輪盤嚴(yán)重磨損和刮蹭，巨大的沖擊力造成振幅的第二次變化進(jìn)而又造成其他螺栓松脫，靜葉組脫落，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)。原因可能是靜葉組改造6次，多次拆裝造成緊固面螺紋磨損，配合間隙增大，受熱膨脹后易產(chǎn)生松脫和緊固力不足。

2.3.2 間接原因

（1）靜葉組雙頭螺栓存在設(shè)計(jì)缺陷，螺栓的栽絲螺紋長度和緊固螺紋長度均不足。裝配時(shí)螺柱與螺帽滿扣無外露情況下，栽絲螺紋旋入長度偏短，這一缺陷直接導(dǎo)致螺栓緊固力降低，進(jìn)而增加由于振動引起的螺栓松脫概率。

（2）靜葉組緊固螺栓因多次拆裝，造成導(dǎo)流錐靜葉組緊固螺栓載絲母扣螺紋損傷，配合間隙增大，致使緊固力降低，在振動作用下更易松脫；母扣螺紋強(qiáng)度降低在振動情況下，螺紋拔脫導(dǎo)致導(dǎo)流錐脫落。

2.3.3 管理原因

（1）制造單位設(shè)計(jì)存在缺陷，直接導(dǎo)致緊固力嚴(yán)重不足，存在螺栓脫落的嚴(yán)重隱患。

（2）對改造過程中的變更風(fēng)險(xiǎn)識別不到位，參與改造的設(shè)備技術(shù)人員未考慮到改造后螺栓長度不足的問題。

（3）檢修單位在檢修過程中質(zhì)量控制不到位，責(zé)任心不強(qiáng)，未對關(guān)鍵部位的螺栓緊固嚴(yán)格把關(guān)和確認(rèn)，沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓設(shè)計(jì)缺陷；對導(dǎo)流錐母扣螺紋未認(rèn)真檢查，未發(fā)現(xiàn)母扣松動的問題。

（4）檢修過程中裝置主責(zé)人對檢修質(zhì)量監(jiān)督不到位，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓設(shè)計(jì)缺陷。

（5）對長周期設(shè)備部件運(yùn)行壽命分析研判存在欠缺，長時(shí)間使用的螺紋等關(guān)鍵部位管理存在缺失。

2.4 下步措施

（1）螺栓整改措施。對螺栓進(jìn)行改造，增加螺栓長度，增加載絲長度，提高緊固力；螺栓緊固后，對螺栓、螺母進(jìn)行點(diǎn)焊固定，防止松脫。

（2）導(dǎo)流錐重新鉆孔、攻絲，保證螺紋質(zhì)量。

圖26 改造前

圖27 改造后

改造前原固定螺栓尺寸為M18×60，右側(cè)螺紋長度為35mm，左側(cè)栽絲長度為1D（D為螺栓直徑），即18mm。改造后新固定螺栓尺寸為M18×70，右側(cè)螺紋長度為45mm，左側(cè)栽絲長度為1.25D（D為螺栓直徑），即22.5mm。

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