原油直接式加熱爐爐管失效的機(jī)理分析

成文峰，李 順

（1.中石化管道儲(chǔ)運(yùn)公司徐州管道技術(shù)作業(yè)分公司，江蘇徐州221008；2.中石化金陵分公司煉油運(yùn)行一部，江蘇南京210033）

我國(guó)生產(chǎn)的原油絕大部分為“三高”油（即高凝固點(diǎn)、高含水與高粘度），不宜或不可能等溫輸送。采用加熱爐解決這一問題，是最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法。因此，加熱爐是油田勘探開發(fā)、油氣輸送中的重要設(shè)備之一。

隨著油氣田勘探開發(fā)面積和開發(fā)難度的增大，油田用加熱爐的數(shù)量越來越多，由其引起的安全事故也越來越多。從早期加熱爐使用不當(dāng)造成的火災(zāi)甚至爆炸事故、加熱爐燒毀，到近年來為提高加熱爐效率引起的爐管腐蝕、預(yù)熱器損壞等事故，已嚴(yán)重影響到加熱爐的安全運(yùn)行。因此，開展加熱爐失效機(jī)理分析，意義重大。

1 原油直接式加熱爐爐管失效機(jī)理分析

1.1 原油直接式加熱爐簡(jiǎn)介

圖1 輸油管線加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

加熱爐由爐體、燃燒器及燃料油系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，被加熱介質(zhì)——原油在爐管內(nèi)部流動(dòng)。加熱室一般分為輻射室、對(duì)流室。圖1為輸油管線加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 爐管失效分析

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)加熱爐管的主要失效形式表現(xiàn)為腐蝕穿孔、氧化腐蝕以及腐蝕減薄，釘頭的存在，加速了積灰、積鹽的速率，灰垢會(huì)吸收水分，造成釘頭根部的腐蝕。

（1）加熱爐爐管低溫露點(diǎn)腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理。燃料油都含有少量的硫，燃燒后全部生成SO2。其中少量的SO2由于O2的存在進(jìn)一步氧化成SO3。通常約有1%～3%的SO2轉(zhuǎn)化為SO3。在正常操作條件下，SO2氣體不會(huì)腐蝕金屬，當(dāng)煙氣溫度在400℃以下時(shí)，SO3與煙氣中的水蒸氣化合成硫酸蒸氣，此凝結(jié)成硫酸的溫度為煙氣露點(diǎn)。當(dāng)對(duì)流管壁溫度低于露點(diǎn)時(shí)，硫酸蒸氣就凝結(jié)在管壁上產(chǎn)生低溫露點(diǎn)腐蝕。同時(shí)冷凝的硫酸液體還會(huì)粘附煙氣中的灰塵，形成不易清除的積垢，使煙氣通道不暢，甚至堵塞。

一般輻射室內(nèi)由于煙氣溫度比較高，通常都遠(yuǎn)高于400℃，因此不可能發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中，輻射室爐膛內(nèi)的爐管均未發(fā)現(xiàn)存在露點(diǎn)腐蝕的現(xiàn)象，但在溫度較低的輻射室彎頭箱，發(fā)現(xiàn)爐管腐蝕的跡象。對(duì)流室內(nèi)煙氣溫度會(huì)逐步降低，一般排煙溫度控制在180～200℃，而此時(shí)爐管金屬壁溫一般在70～100℃，當(dāng)金屬壁溫低于露點(diǎn)溫度時(shí)，就有可能產(chǎn)生低溫露點(diǎn)腐蝕。

對(duì)流室彎頭箱由于結(jié)構(gòu)的影響，煙氣會(huì)滲漏到彎頭箱，此時(shí)煙氣溫度降低比較多，會(huì)在彎頭冷凝，腐蝕彎頭。還有在設(shè)備停爐時(shí)，隨爐管壁溫的降低，存在發(fā)生露點(diǎn)腐蝕的可能。

（2）高溫硫腐蝕的產(chǎn)生機(jī)理。加熱爐在正常的操作條件下，由于爐管壁溫不高，不會(huì)發(fā)生高溫硫腐蝕。但在一定的條件下，如管內(nèi)油品不能正常流動(dòng)或斷流、爐管干燒、管內(nèi)結(jié)焦等，高溫硫腐蝕的發(fā)生幾率還是存在的。

高溫環(huán)境中硫的存在形式不同，硫腐蝕的類型也呈多樣性，可大致分為：高溫硫化，高溫混合氣氛下的硫化-氧化和硫酸鹽沉淀所導(dǎo)致的熱腐蝕。

2 加熱爐爐管實(shí)例檢測(cè)及分析

以洪荊線高陽(yáng)站3臺(tái)加熱爐為例。該站有3臺(tái)加熱爐用于加熱管屬原油，原使用輸送的原油為燃料。因腐蝕嚴(yán)重，對(duì)2#、3#加熱爐進(jìn)行了檢修。檢驗(yàn)人員現(xiàn)場(chǎng)提取了腐蝕嚴(yán)重的對(duì)流室釘頭管（如圖2）。由于2#、3#加熱爐互為備用，因此2#、3#加熱爐時(shí)常處于停用狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查的結(jié)果，輻射室的集灰較多，加熱爐管腐蝕較嚴(yán)重，爐管釘頭部位產(chǎn)物堆積等現(xiàn)象，檢驗(yàn)樣品除圖2所示管件外，還在現(xiàn)場(chǎng)取輻射室積灰、釘頭管和空氣預(yù)冷器腐蝕產(chǎn)物同時(shí)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如下。

圖2 檢驗(yàn)樣品

2.1 宏觀檢查

檢驗(yàn)樣品為一截帶有釘頭的直管、彎頭及其對(duì)接焊縫管件，管外壁存在氧化腐蝕特征，表面外層是松散的黑色產(chǎn)物，緊貼管壁的產(chǎn)物呈鐵褐色、棕褐色、黃色（見圖2所示）。

管子主體呈均勻減薄的特征，釘頭根部附著較多的產(chǎn)物，產(chǎn)物松散易清理，清理后可見釘頭與直管焊接的根部材料缺失，釘頭直徑改變，呈不均勻減薄的特點(diǎn)（見圖3）?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，低溫段，特別是空氣預(yù)熱器腐蝕最為嚴(yán)重，煙囪頂部防雨帽腐蝕穿孔。

圖3 釘頭管腐蝕特征

現(xiàn)場(chǎng)查看了正在運(yùn)行的1＃加熱爐的排煙溫度，在3天的運(yùn)行中，其排煙溫度一般在100℃以下，煙氣呈白色。

3.2 化學(xué)分析

在管彎頭、直管部位上取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明彎頭和直管材料為20鋼，化學(xué)成分及含量符合材料標(biāo)準(zhǔn)。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（mass%）

2.3 金相組織

在送檢管彎頭、直管、對(duì)接焊縫和釘頭部位分別取樣，進(jìn)行金相組織檢查分析，彎頭、直管和頂頭組織為正火狀態(tài)，金相組織未見異常。

2.4 腐蝕微觀特征

在電子顯微鏡下分別觀察直管和釘頭的腐蝕的微觀特征，清洗后直管表面無金屬光澤呈均勻的腐蝕坑，圖4-1～4-3為腐蝕產(chǎn)物和因腐蝕而顯現(xiàn)的基體金屬晶粒晶界；頂頭部位基體缺損較大，清洗后的表面無金屬光澤呈大小不等的的腐蝕坑，圖4-4～4-6為腐蝕產(chǎn)物和因腐蝕而顯現(xiàn)的基體金屬晶粒晶界。

圖4 腐蝕微觀形貌

2.5 腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)釘頭管腐蝕產(chǎn)物、輻射室積灰、空氣預(yù)冷器腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X-ray分析成分分析和X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析。X-ray分析成分分析檢驗(yàn)結(jié)果見表2，X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見表3。

表2 腐蝕產(chǎn)物X-ray分析成分分析結(jié)果（%）

表3 腐蝕產(chǎn)物X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

腐蝕產(chǎn)物X-ray分析成分分析結(jié)果表明中含有大量的 O、Si、S、Ca、Fe和 Al、Cl、K、Mn 等化學(xué)元素。其中S含量較高，釘頭管17.89 mass%～15.59 mass%，輻射室積灰35.47 mass%，空氣預(yù)冷器24.79 mass%。輻射室積灰和空氣預(yù)冷器中的Ca含量較高分別為15.70 mass%和6.22 mass%。

腐蝕產(chǎn)物X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要為三價(jià)鐵氧化物、氫氧化物和硫酸鹽類物質(zhì)等。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）加熱爐爐管失效，主要是管外壁氧化腐蝕造成的。直管和彎頭部位是均勻腐蝕，釘頭根部呈不均勻減薄的特點(diǎn)，腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物、硫酸鹽類物質(zhì)。

（2）低溫段釘頭管和空氣預(yù)熱器腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫酸鹽，說明燃料中含硫量高，存在露點(diǎn)腐蝕。

（3）Fe3＋有強(qiáng)烈的水解作用，該水解作用使介質(zhì)的pH值進(jìn)一步下降，加速腐蝕進(jìn)程。這也是腐蝕產(chǎn)物中含有堿式硫酸鹽和堿式氧化物的原因。

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