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摘要：乙烯二联合车间6#、7#裂解炉TLE管板、管束由于长周期运行及积液长时间的腐蚀，使管板、管束厚度减薄，导致泄露，不利于装置的长周期运转，通过对其内部结构、介质成分分析，找到了造成管板、管束腐蚀的原因，根据母材成分，查找资料，成功的解决了裂解6#、7#炉TLE管板焊接修复问题；缩短了施工时间，延长了检修周期和使用寿命,提高了经济效益。
关键词：裂解炉；废热锅炉(TLE)；腐蚀泄漏；镍基焊丝；焊接；热处理
一、概述：
独山子石化公司乙烯厂裂解炉操作温度为800-1100℃，炉管内介质为裂解气和饱和蒸汽，介质压力为0.3MPa, 炉管内温度800±10℃，炉管外温度1000-1050℃，出料口为铸造异径管，其上部连接着废热锅炉（TLE），是裂解炉的重要设备。如图1所示：
（图2-TLE管板结构形状）
一、废热锅炉（TLE）管板、管束泄漏的原因分析
1、废热锅炉（TLE）的结构及参数：
裂解炉上废热锅炉（TLE）采用德国SHG公司设计制造的。其结构采用双套管结构，内管和外管的两端都焊在椭圆集管上，内管走裂解气，外管高压锅炉给水到汽包。由于内管和外管的温度、压力相差很大造成热膨胀量不同，为了解决这个问题，内管和外管的两端都焊在椭圆集管上，进口维形腔为满足，尽量减小裂解气在此处的停留时间及保证把裂解气均匀分配给每根管子，而被设计成特定的形状。
废热锅炉（TLE）设计出口温度最高不超过360℃--400℃，流量计及热负荷没有余量系数，其设计最大压降为0.07kg/cm2--0.08 kg/cm2。TLE的内管介质为裂解气，操作压力进口为0.72kg/cm2g出口0.68kg/cm2g，操作温度：进口为815.6℃、出口为380.1℃；外管介质为水/蒸气，操作压力：126.6kg/cm2g，操作温度为328℃。TLE选用材料，内外管选用材料均为15Mo3 ，内、外管规格分别为φ51*5 、φ73*5，管板选用材料为15Mo3，设计厚度为10mm。
2、废热锅炉(TLE)现状：
废热锅炉(TLE)，在长期使用过程中，会出现管板、管束发生变形导致积液和由于长时间受到介质和温度、冲刷的共同作用而发生腐蚀，使管板、管束厚度逐渐减薄，导致泄露发生。极大影响了裂解炉的负荷及压缩机透平的正常工作。自开工以来，每台炉子上的废热锅炉(TLE)的管板和束都发生过泄漏情况，主要是管板开裂和管子腐蚀开裂造成的泄漏。自2015年11月，已经连续对乙烯的6#、7#炉上的TLE进行了6次抢修。为了解决TLE废热锅炉的泄漏后的焊接修复问题，我们对TLE废热锅炉产生泄漏的原因进行分析，对修复中遇到的焊接问题进行研究，制定废热锅炉(TLE)的管板和管子的施工工序和焊接修复工艺，解决修复中的焊接质量问题，缩短修复时间，延长使用周期，提高经济效益。
3、泄漏的原因分析：
(1)力学性能检查：内管下部约2325mm高为未变形段，上部约89251,11dl／i高为变形段，在两段分别取样作力学性能试验，表明内管所用材料的力学性能未变形段还是不错的，但失效部位的常温力学性能发生了很大的变化，比下部未失效部分明显降低，其中屈服极限降低了约24％ 。
(2)硬度检查：对内管变形段及未变形段分别进行硬度检查，其中变形段表面试验7个点，未变形段表面试验3个点，结果为：变形段表面硬度：174．5～194HB(平均值189)，未变形段表面硬度：194～222HB(平均值215)，这说明内管变形后，硬度降低了12％。
(3)金相组织检查：对内管未变形部分和变形部分分别取样表示未变形内管的金相组织由铁素体和珠光体组织组成，相比之下，已变形内管的金相组织发生重大的变化，这种结构说明似乎受到了超过Ac1 线(即725℃以上)高温的影响，发生部分相变及未完全相变，出现带状组织，进而引起材料性能变化。
由于屈服强度、硬度的降低及材料性能的变化，导致TLE管板、管束在高温、高压及流体冲刷的作用下，管板、管束减薄、腐蚀开裂产生泄漏。
二、焊接修复工艺技术：
该钢种属耐热钢(15Mo3)，冷裂敏感性比较大，必须采取一些工艺措施来防止焊接裂纹的产生。焊前不预热则冷裂不可避免，随着预热温度的升高，接头抗冷裂的能力得以改善，甚至冷裂纹全部消除。因此，焊前预热温度在200℃左右即可满足抗冷裂要求，线能量增大，冷却速度变慢，导致过热区晶粒粗大，韧性变差， 因此焊接此钢种需焊前预热至200℃左右，焊后保温缓冷及对其进行热处理。焊接方法手工氩弧焊，采用小电流、快速焊。国内同行对裂解炉TLE管板修复补焊均采用同材（E309焊丝）堆焊的方法焊接，且焊前预热，焊后需热处理，然后进行缓冷。且焊接时间长，对焊工的要求高，工序复杂，现场热处理条件达不到工艺要求，热处理形同虚设，同时由于材质的变化，焊接时及焊后极易产生裂纹且焊后强度、硬度达不到工艺要求，施工质量不能保证。
1、传统管板表面裂纹焊接修复工序：
清理杂物—着色检查—缺陷清除（ 深度不超过2mm ）一预热温度为120 -130度，采用氧炔焰预热，范围不得小于200*200mm。打底补焊（采用E309焊丝焊接）--着色检查—再预热—焊接（不得低于母材且不得高于母材1mm，窄道、多层多道焊）--后热（采用氧炔焰加热，200度烘烤10分钟左右，后缓冷--着色检查，合格后进行热处理。
2、堵头焊接：
清理管内杂物—着色检查—加堵头—预热（120 -130度，采用氧炔焰加热，范围不得小于200*200mm）--打底补焊（采用ERNiCr-3焊丝焊接）--着色检查—再预热—焊接（不得低于母材且不得高于母材1mm，窄道、多层多道焊）--后热（采用氧炔焰加热，200度烘烤10分钟左右，后缓冷--着色检查，合格后进行热处理。。
3、管内孔洞补焊
清理管内杂物（用氧气吹扫）—预热（120 -130度，采用氧炔焰加热）--焊接（E309焊丝焊接）--后热（采用氧炔焰加热，200度烘烤10分钟左右，后缓冷）-焊瘤用直头磨光机修磨--着色检查，合格后进行热处理。
4、采用传统工艺进行焊接修复：
1） 2015年11月29日6#炉TLE-A消漏，将TLE拆开判断为管子内壁腐蚀泄露，见图3。
（图4） 7#炉TLE-A腐蚀情况
3）7#炉TLE刚刚检修完，开工期间再次泄露。2016年1月5日6#炉TLE又发生了泄露，距离上次的检修仅仅过了45天，并且此次的情况更为复杂，TLE-A/D的管板均产生了鼓泡和裂纹。2016年2月22日环境温度达到零下10度左右。6#炉TLE又发生泄漏，在TLE-A有4处较为严重的裂纹缺陷，TLE-B有1处严重缺陷 。2016年3月6日7#炉在TLE-A有3处较为严重的裂纹缺陷，TLE-D有6处严重缺陷，包括2根管内泄漏。
5、传统工艺焊接修复过程及效果：
由上可见，根据传统工艺对其进行焊接修复，工序既复杂，焊接质量保证不了，施工时间长，严重影响了乙烯厂的长、满、优运行，造成了效益的巨大损失。因此，如何改进施工工序和焊接方案，是我们亟待要解决的难题。
6、改进施工工序和焊接方案
通过大量的查找资料和焊接试验，我们发现:镍基焊材ERNiCr-3的耐腐蚀性、耐温性、止裂性、流动性、可焊性均能达到TLE的运行条件，并且焊后不需进行热处理，既能保证焊接质量，又能缩短工期且可延长其使用寿命。在2016年2月22日、3月6日TLE的焊接修复中，我们采用新的施工工序和焊接方案进行施工，施工工序省去了焊后热处理工序，焊材采用ERNiCr-3进行焊接施工，施工中严格按照施工工序和焊接作业指导书进行了施工，做到每一个步骤均要经过确认，方可进行下一步的施工，取得了很好的效果。见图5。
图5 施工修复情况
四、经济效益
通过采用新工序和新的焊接方案，施工时间缩短了12-16个小时，延迟了裂解炉TLE管板、管束腐蚀周期，延长使用寿命达1-2年，减少裂解炉非计划停炉的次数2次/年，直接经济效益 100万元/台，间接经济效益500万元；效益总计600万元。
五、结论
按照优化后的方案，可以缩短施工时间，提高焊接返修质量。
1、解决乙烯裂解炉TLE管板、管束腐蚀焊接返修难题，优化了施工工序，缩短了施工修复时间。
2、延长乙烯裂解炉TLE管板、管束的使用寿命，延长维修周期，提高经济效益。
六、技术创新点
传统的焊接施工一般选用同材或者与原材料相近的焊材进行施工，针对6#、7#炉TLE管板的腐蚀情况、劣化程度及可焊性，大胆采用能符合工况强度、温度及耐腐蚀的特点，可焊性、流动性较好的焊材进行焊接施工，同时简化了施工工序。
七、技术重点与适用范围
1、技术重点
建立了管板表面裂纹、堵头焊接、管内孔洞补焊的修复工序：
2、适用范围
乙烯厂废热锅炉（TLE）管板表面裂纹、堵头焊接、管内孔洞补焊的修复。
八、应用推广情况
1、应用情况：
自2016年对乙烯6#、7#炉TLE管板采用新方案实施修复以来，至今使用效果很好，未出现重复性再修复。
2、应用前景
目前，国内外无此类方面的举措，可以在行业内不同类装置推广。
论文作者:赵玉军,石国庆
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/10
标签：工序论文; 锅炉论文; 裂纹论文; 温度论文; 乙烯论文; 硬度论文; 焊丝论文; 《防护工程》2017年第23期论文;