脫氫加熱爐爐管變形原因的分析

查日松

（金陵石化烷基苯廠)

脫氫加熱爐爐管變形原因的分析

查日松*

（金陵石化烷基苯廠)

對在用的脫氫加熱爐爐管的變形情況進行分析，對各種導(dǎo)致爐管變形的因素進行篩選，排除不成立的因素，找出導(dǎo)致爐管變形的真正原因。

加熱爐 爐管 吊架 平衡錘 受力分析 高溫

1 爐管故障現(xiàn)象

某脫氫加熱爐在使用過程中發(fā)現(xiàn)54根爐管中有2根存在變形情況，爐頂部對應(yīng)的平衡錘墜落。正常狀態(tài)下爐管在南北方向是對稱分布的，但這2根爐管卻向北方側(cè)傾。

2 加熱爐概況

該脫氫加熱爐爐管中流動的介質(zhì)包括氫氣和烷烴，氫氣的質(zhì)量百分含量13.97%，烷烴的質(zhì)量百分含量86.03%，氫氣流量13 458 kg/h,烷烴流量82 858 kg/h，操作時入口溫度430℃，出口溫度500℃，入口壓力0.25 MPa，出口壓力0.155 MPa，操作負荷7.032 MW，爐膛有效加熱面積309 m2，爐管程數(shù)54路，爐管根數(shù)108根，爐管規(guī)格?89 mm×5.5 mm×(7 739+450)mm， 爐管材質(zhì) Cr9Mo， 燃燒器數(shù)量7只，爐管平均熱強度22 718 W/m2,燃料油消耗量851 kg/h。脫氫加熱爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脫氫加熱爐

單根爐管結(jié)構(gòu)如圖2所示。每程爐管由1個U形管和2根直管組成，其中U形管材質(zhì)為Cr9Mo。

爐管焊接所用焊條型號為E1-9Mo-15(熱707),要求爐管中的U形管部分其圓度不得超過3 mm(即 R=1 800 mm ± 3 mm)。

爐管吊桿系統(tǒng)由爐管吊桿、吊架板和平衡錘等組成。爐管吊桿材料為Cr25Ni20，單件質(zhì)量26.4 kg。每個平衡錘由4個平衡片組成，每個平衡片質(zhì)量29.6 kg，材料為鑄鋼ZG25。每程爐管中單根直管質(zhì)量87 kg，U形管質(zhì)量74 kg。

爐管吊架結(jié)構(gòu)由吊桿和平衡錘以及支撐等組成，形成一個杠桿系統(tǒng)，如圖3所示。設(shè)吊桿所受的拉力為F1，平衡錘的重力為Gp，吊桿的重力為Gg，吊桿離支撐距離為l1=200 mm，平衡錘離支撐距離為l2=400 mm，由力矩平衡有

圖2 單根爐管結(jié)構(gòu)

圖3 爐管吊架結(jié)構(gòu)

吊架板結(jié)構(gòu)如圖4所示。吊架板材質(zhì)為Cr25Ni20，厚度20 mm，長度350 mm。

3 爐內(nèi)檢查

生產(chǎn)裝置小修時，曾在該爐停爐后進行了內(nèi)部檢查，檢查結(jié)果如下：

圖4 爐管吊架板

（1）對爐管金相檢查未發(fā)現(xiàn)異常，組織和成分沒有明顯變化。

（2）測量爐管的外徑，未發(fā)現(xiàn)明顯擴張和變形。

（3）爐管表面沒有過燒現(xiàn)象，沒有開裂現(xiàn)象。

（4）多數(shù)吊桿長度比原來略長一些，其中有4根位于頂部橫梁附近的吊桿出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。

4 爐管和吊桿受力分析

圖5 爐管受力分析

爐管發(fā)生變形，一個原因可能是爐管原來的受力狀況遭到破壞，另外一個原因可能是爐管的物性參數(shù)在長期使用過程中發(fā)生了變化。以下就從這兩個方面來加以分析。

4.1 爐管的受力分析

（1）爐管受力狀況

為方便起見，以吊架板連接處以上那段爐管（包括U形管）為研究對象，該段爐管的受力情況如圖5所示。

圖5中：G為所研究的那部分爐管本身的重力；P為爐管內(nèi)介質(zhì)壓力產(chǎn)生的對爐管的軸向作用力；F1、F2為吊桿對爐管的牽引力；L1、L2為吊架板處爐管截面受到的作用力。爐管內(nèi)物料質(zhì)量對爐管產(chǎn)生的重力作用忽略不計。

圖5中爐管的受力平衡方程如下表示：

爐管重力G由爐管本身的物性參數(shù)決定，介質(zhì)壓力產(chǎn)生的作用力P也由物料參數(shù)所決定，吊桿對爐管的作用力F1、F2由平衡錘及吊桿的質(zhì)量所決定。這些參數(shù)在設(shè)備使用過程中變化很小。因此，爐管原有的力的平衡系統(tǒng)不會改變，受力方向也不會改變，集合管 （見圖2）對爐管的支撐力在正常平衡的狀態(tài)下一定沿著直管的方向。

由于爐管進出口物料的溫差，兩側(cè)爐管的熱膨脹量稍有差異，所以爐管在冷、熱階段其側(cè)傾是不同的。但是，如果爐內(nèi)溫度分布基本上均勻的話，各路爐管的側(cè)傾方向不會有太大的差異。然而現(xiàn)場卻有2根爐管側(cè)傾比較大。

（2）爐管力學(xué)計算

爐管受到的外力如圖5所示。爐管所受最大拉力的位置在吊架板下方。

在平衡錘不落地的情況下，爐管懸吊處 （吊架板處）截面所受的拉力L1和L2為：

由此可見，環(huán)向拉應(yīng)力σ2大于軸向拉應(yīng)力σ1，爐管在操作溫度下更容易產(chǎn)生環(huán)向變形。

4.2 吊桿的受力分析

該脫氫加熱爐所用吊桿分為一型和二型：吊桿一型，50根，直徑36 mm，長度3 300 mm。吊桿二型，長度3 500 mm，其他參數(shù)與一型相同。處于爐子頂部橫梁位置的吊桿都是吊桿二型，而變形的吊桿也都是吊桿二型。吊桿所受拉力Fg可用吊桿系統(tǒng)的力矩平衡方程求出，即

5 常見的爐管破壞形式和爐管變形原因分析

5.1 常見爐管破壞形式

由于運行中的加熱爐其爐管不可能拆下來檢查，因此需要分析一下爐管的常見破壞形式，排除不可能的因素，尋找爐管變形的真正原因。

爐管損壞的主要形式有：嚴(yán)重的壁厚減薄、變形、破裂、鼓包和內(nèi)外腐蝕等。 爐管損壞的原因有：傳熱惡化、局部過熱、火苗舔管、管內(nèi)結(jié)焦、管內(nèi)介質(zhì)含有某些不良的雜質(zhì)和管內(nèi)外腐蝕等。此外，爐管的損壞形式還有爐管的高溫蠕變破壞、爐管的滲碳破壞和爐管的氫脆等。

由于加熱爐內(nèi)的溫度較高，因此爐管的高溫蠕變破壞值得重視。蠕變是在不變的應(yīng)力作用下，材料不斷地發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。通常高溫爐管承受著不變的應(yīng)力的作用。內(nèi)壓引起的一次應(yīng)力中環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍，環(huán)向應(yīng)力有時引起爐管沿圓周方向破裂。蠕變破壞常發(fā)生在爐管焊縫區(qū)附近，這是由于在焊縫區(qū)除內(nèi)壓以外還存在著焊接缺陷、焊接引起的材料劣化以及熱應(yīng)力等，這些因素的綜合作用使?fàn)t管在焊縫區(qū)易產(chǎn)生破裂。

該爐室的1Cr25Ni20Si2吊架桿在爐內(nèi)的受熱條件比爐管更加惡劣，由于沒有爐管內(nèi)介質(zhì)的冷卻，因此高溫下更容易產(chǎn)生物性變化，其破壞形式同爐管大體上類似。

5.2 爐管變形原因分析

（1）爐管熱膨脹的影響。由上述爐管受力分析圖 （圖5）可知，爐管受力主要是上下方向的，如果熱膨脹力破壞了原有的受力平衡狀態(tài)，那么每根爐管應(yīng)該情況相似，但是現(xiàn)在只有2根情況特殊。如果這2根爐管內(nèi)部介質(zhì)出現(xiàn)偏流或者爐膛局部溫度過高，這2根爐管出現(xiàn)這種情況也是有可能的，但是這種情況的概率很小。

（2）線膨脹系數(shù)的影響。爐管材料Cr9Mo在21～482℃下的線膨脹系數(shù)為12.5×10-6℃-1， 吊架板以下的爐管長度為7.739 m，其線膨脹量為Δl管=12.5×10-6×7.739×480=0.046 4 m＝4.64 cm。 因此，爐管線膨脹量引起的平衡錘下落的高度為Δh=2×4.64＝9.28 cm。

吊桿材料1Cr25Ni20Si2在0～815℃下的線膨脹系數(shù)[2]為17.5×10-6℃-1。吊桿的線膨脹量如下：

吊桿一型： Δl1=3 300×17.5×10-6×800＝4.62 cm

吊桿二型： Δl2=3 500×17.5×10-6×800＝4.90 cm

對于吊桿一型，平衡錘總下落高度為：Δh1=4.62×2＋9.28＝18.52 cm

對于吊桿二型，平衡錘總下落高度為：Δh2=4.90×2＋9.28＝19.08 cm

現(xiàn)場吊桿的伸長情況和上述計算結(jié)果基本吻合。

（3）雖然爐管本身長期受熱，材料物性會產(chǎn)生一些變化，但停爐后內(nèi)部檢查的結(jié)果是蠕變、滲碳、鼓包以及氫脆等現(xiàn)象都未出現(xiàn)。

（4）吊架板的開裂。如圖4所示，每根吊桿引吊兩根爐管，吊架板焊接在爐管上，相鄰兩根爐管的吊架板重疊在一起，通過螺栓掛在吊桿下部，以保證爐管承受垂直的拉力。如果吊架板出現(xiàn)開裂，原有的受力平衡即被破壞，爐管將偏向一邊。這種可能性是有的，但停爐后內(nèi)部檢查的結(jié)果否定了這一點。

（5）爐管和吊桿本身因物性參數(shù)發(fā)生變化而產(chǎn)生了蠕變，其長度在平衡錘和內(nèi)壓的作用下被拉長，爐膛溫度的進一步升高導(dǎo)致了平衡錘觸地，兩邊失去平衡。

吊桿材料1Cr25Ni20Si2的物性參數(shù)如下：熔點為1 371～1 427℃，密度為7.72 g/cm3，彈性模量E為203 000 MPa。1Cr25Ni20Si2鋼的高溫力學(xué)性能和蠕變強度如表1、表2所示。

爐管金相分析和尺寸檢查未見明顯的異常，但所有的吊桿比原來的圖紙尺寸略長一些，其中吊桿二型有彎曲現(xiàn)象。根據(jù)表2所列的吊桿材料蠕變強度數(shù)據(jù)，在2～3 MPa的拉應(yīng)力下和加熱爐的高溫狀況下，吊桿有發(fā)生蠕變的可能性，但蠕變量很小。該爐使用了多年，吊桿被拉長存在可能性。

爐子大修后投用，再次觀察表明，變形嚴(yán)重的爐管都位于爐子頂部橫梁下的位置，所處位置比較特殊。2010年大修時該爐全部更換了新吊桿，投用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐子處于高負荷運行時，隨著爐膛溫度的升高，爐管的平衡錘又同樣出現(xiàn)了碰到爐頂橫梁的情況。

表1 1Cr25Ni20Si2鋼的高溫力學(xué)性能

表2 1Cr25Ni20Si2鋼的蠕變強度

6 結(jié)論

綜合分析認(rèn)為，位于橫梁上的爐管吊桿長度尺寸設(shè)計上偏長，平衡錘預(yù)留的下降空間有限，隨著爐膛溫度的升高，平衡錘落地，當(dāng)溫度進一步升高時，平衡錘不但沒有補償作用，相反成了爐管熱膨脹的限制因素，導(dǎo)致吊桿被壓縮彎曲，從而進一步導(dǎo)致爐管側(cè)傾變形。

[1]干勇，田志凌，董瀚，等.鋼鐵材料手冊 （下） [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]嚴(yán)彪.不銹鋼手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]錢家麟.管式加熱爐 [M].第2版.北京：中國石化出版社，2003.

Analysis of the Tube Deformation in Dehydrogenation Heating Furnace

Zha Risong

This paper analyses the reason of the tube deformation in dehydrogenation heating furnace， it lists all the causes,deselect impossibilities,and finds out the real reason.

Heating furnace;Furnace tube;Hanger;Counterweight;Force analysis； High-temperature

TQ 052

*查日松，男，1971年生，工程師。南京市，210046。

2011-11-13）