火筒式加熱爐穿孔原因分析

劉莉嬌

摘 要：對(duì)火筒式加熱爐煙管、火管穿孔進(jìn)行了分析，認(rèn)為煙管穿孔主要是由于燃料燃燒產(chǎn)生的酸性介質(zhì)在煙管與火管焊接處滯留腐蝕造成；火管的穿孔是由于火管被墊板所覆蓋的管壁與墊板之間產(chǎn)生汽化膜，使火管被墊板所覆蓋的位置過熱嚴(yán)重，鋼材強(qiáng)度和塑性下降，在周期性的氣體膨脹力的作用下，火管壁出現(xiàn)鼓包，產(chǎn)生裂紋穿孔。分別提出了防止煙管、火管穿孔的措施與辦法。

關(guān)鍵詞：穿孔；裂紋；腐蝕；結(jié)垢

1.前言

火筒式加熱爐（以下簡(jiǎn)稱加熱爐）是現(xiàn)代石油工業(yè)不可缺少的加熱設(shè)備，加熱爐在陸上油氣田，油氣集輸過程中應(yīng)用越來越廣泛，是原油脫水、外輸工程中，對(duì)原油進(jìn)行加熱降粘的重要輔助設(shè)備，火管和煙管是加熱爐的兩個(gè)重要組成部分，起到傳熱、受壓、密封的作用。本文對(duì)加熱爐火管、煙管穿孔進(jìn)行分析，并提出防止的措施及建議。

2.穿孔狀況介紹

2臺(tái)加熱爐均為火管材質(zhì)20g，δ=12mm，煙管材質(zhì)20g，δ=10mm，火嘴RS100。

2.1 煙管穿孔狀況介紹

1#加熱爐穿孔部位位于煙管與火管焊接處，下煙管的根部，在加熱爐中，下煙管向外側(cè)有一定的傾斜，穿孔部位屬于傾斜的底部，焊縫處。穿孔為大拇指大小，小孔邊緣最薄，約2mm；穿孔外側(cè)無腐蝕，結(jié)垢約1mm，穿孔內(nèi)側(cè)，以小孔為中心，焊縫為長(zhǎng)軸（約20cm）的橢圓腐蝕區(qū)較嚴(yán)重，腐蝕形狀為點(diǎn)狀，坑點(diǎn)大小不等，局部成蜂窩狀，面積約120cm2。腐蝕區(qū)的邊緣腐蝕厚度約為5mm，中心約為10mm。用錘子敲擊穿孔部位，向內(nèi)凹陷，并有鐵銹掉落。在火管內(nèi)穿孔部位下面，有約1公斤鐵銹，成片狀，有部分黑色粉末。煙管其它部位較好，局部表層有鐵銹片，刮下后，能見到無腐蝕的金屬層。

2.2 火管穿孔情況介紹

4#加熱爐穿孔部位位于火管中部偏上，距耐火磚20cm處，火管燃燒道耐火磚長(zhǎng)為3000mm。穿孔是由于火管鼓包而形成的裂紋，裂紋呈環(huán)向；從火管內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，裂紋長(zhǎng)約100mm，裂紋張口最大處約4mm，并有內(nèi)凹現(xiàn)象.凹坑面積為160×90mm2，深為2.5cm左右。鼓包處外側(cè)為煙管、火管支撐墊板（長(zhǎng)50cm，寬10cm）與火管環(huán)向接觸，墊板沒有焊接在火管上；墊板表面結(jié)垢厚約5mm，墊板有明顯的變形，曲度增大，使墊板與火管間有約5mm間隙，墊板下裂縫周圍也有結(jié)垢，約3mm厚。從火管內(nèi)外觀察，表面均無腐蝕痕跡。

此站4臺(tái)加熱爐3次鼓包、3次穿孔部位均為火管與煙管支撐墊板位置。大修后，4臺(tái)加熱爐火管耐火磚均從按設(shè)計(jì)從1800mm增加到3000mm。從這次抽出的1#、4#加熱爐火管看，只有4#加熱爐穿孔火管外側(cè)墊板在耐火磚火管段之外，其他3個(gè)火管外側(cè)墊板均在耐火磚火管段之內(nèi)。其他3個(gè)火管墊板上均有結(jié)垢，但厚度均在2mm以內(nèi)。

3.原因分析

3.1 煙管穿孔原因分析

此站加熱爐采用燃?xì)鉃闈駳?，因此天然氣中水分含量較大，同時(shí)易沖油，燃燒時(shí)產(chǎn)生部分焦類物質(zhì)，在通過火管、煙道時(shí)，極易在火管、煙管間接處滯留附著形成焦垢（鐵銹中的黑色物質(zhì)）。同時(shí)由于天然氣中含有雜質(zhì)硫（S），硫燃燒后全部生成二氧化硫（SO2）。由于爐膛內(nèi)有過量的氧氣存在，部分SO2受灰分和金屬氧化物等的催化作用，進(jìn)一步與氧化合形成S03，在高溫?zé)煔庵?，S03氣體不腐蝕金屬。但當(dāng)煙氣溫度降到400℃以下時(shí)，S03 就會(huì)與煙氣中的水蒸氣結(jié)合生成硫酸。這樣就會(huì)形成下面幾種腐蝕：

3.1.1 硫酸露點(diǎn)腐蝕

當(dāng)硫酸蒸氣凝結(jié)在某個(gè)受熱面上時(shí)，就會(huì)發(fā)生低溫硫酸腐蝕，即硫酸露點(diǎn)腐蝕。一般情況下，煙氣中水蒸氣的體積含量約為10%，水蒸氣露點(diǎn)溫度約在40～60℃，但當(dāng)硫酸蒸氣形成時(shí)。露點(diǎn)溫度就會(huì)升高很多。從煙管形狀可以看出，冷凝形成的硫酸會(huì)最終流向煙管的最低位置，即穿孔位置，由于焊縫的存在會(huì)使硫酸部分滯留，因此焊縫處的硫酸濃度和量最大，腐蝕最嚴(yán)重。

3.1.2 酸性電化學(xué)腐蝕

焦垢和基體金屬之間存在著狹小的縫隙，而縫隙限制了氧化物的擴(kuò)散，因此形成了濃差腐蝕電池，造成縫隙處的金屬的局部腐蝕。其特征為縫隙內(nèi)的金屬表面呈現(xiàn)不同程度的坑槽或深孔，由于它們存在于縫隙內(nèi)，又往往被腐蝕產(chǎn)物所遮蓋，不易被發(fā)現(xiàn)，加重了其危害性。當(dāng)碳鋼置于酸性介質(zhì)中時(shí)，在焦垢和基體金屬表面的縫隙內(nèi)外發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。因縫隙是一個(gè)滯流區(qū)，氧化物質(zhì)消耗后不易得到補(bǔ)充，致使縫隙內(nèi)電位較低；而縫隙外氧化物質(zhì)提供充分，金屬溶解產(chǎn)生電子很快在陰極上被氧化物質(zhì)得到，陽極上的電子不易積累，電位較正。因此，縫隙內(nèi)外電位不同，電位低的縫隙內(nèi)部是陽極區(qū)，電位高的縫隙外部是陰極區(qū)、當(dāng)縫隙內(nèi)金屬氧化過程逐漸減弱時(shí)，因金屬離子溶解產(chǎn)生過多的正電荷，為保持縫隙內(nèi)電荷平衡，縫隙外酸根離子會(huì)向縫隙內(nèi)擴(kuò)散，并在縫隙內(nèi)形成金屬鹽類。鹽類水解使縫隙內(nèi)的酸度增加，從而加速了縫隙內(nèi)的腐蝕。金屬溶解增加，使酸根負(fù)離子的擴(kuò)散加快，又促使金屬溶解量增加，造成惡性循環(huán)。

3.1.3 應(yīng)力腐蝕

煙管火管是在爐外焊接后移植到爐內(nèi)的，因此移入后，在與封頭的焊接過程中，必然會(huì)造成煙管火管受力，而煙管火管在焊接縫處的受力最大。同時(shí)，在煙火管的拼接焊縫中也存在焊接殘余應(yīng)力，20g材質(zhì)在酸性環(huán)境中易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，破壞煙管表面的Fe3O4保護(hù)膜，使金屬表面進(jìn)一步腐蝕，最終導(dǎo)致穿孔。

3.2 火管穿孔原因分析

3.2.1 火管局部位置過熱，強(qiáng)度降低

從上面介紹的情況可知，火管內(nèi)耐火墻長(zhǎng)度為3000mm，這會(huì)使火管無耐火墻處局部位置過熱。另外，加熱爐加熱的介質(zhì)是從地下抽上來的有大量泥沙的含水原油，在加熱過程中會(huì)使火管外壁結(jié)垢。資料顯示，結(jié)垢1mm，就會(huì)使壁溫升高130～160℃。從火管產(chǎn)生裂紋部位外表面及墊板上也可以看到結(jié)垢厚約3～5mm。由于結(jié)垢又使火管局部過熱更加嚴(yán)重。

3.2.2 火管產(chǎn)生裂紋部位受力分析

火管產(chǎn)生穿透性裂紋外壁有墊板，墊板四周與火管管壁無焊接，在加熱爐使用過程中，污水會(huì)進(jìn)入墊板與火管管壁間隙中。由于火管管壁局部位置過熱，使進(jìn)入墊板與火管管壁間隙中的污水瞬時(shí)汽化，汽化產(chǎn)生的氣體無法立刻溢出，會(huì)在火管管壁與墊板之間形成一種空氣膜。這種空氣膜既可使被墊板覆蓋的火管管壁進(jìn)一步過熱，同時(shí)也可使火管管壁、墊板及其四周結(jié)垢產(chǎn)生膨脹力。

3.2.3 破壞過程

由于火管母材有硫化物夾雜及由其引起的組織不均勻分布，使鋼材在厚度方向的強(qiáng)度和塑性下降。另外，火管被墊板所覆蓋的位置過熱，使火管局部位置強(qiáng)度降低，在火管管壁，墊板及其四周結(jié)垢之間產(chǎn)生的膨脹力作用下，易出現(xiàn)鼓包，產(chǎn)生裂紋。由于火管管壁與墊板之間形成空氣膜過程是一種重復(fù)過程，所以上述受力過程也是一種重復(fù)過程，這樣就使火管被墊板所覆蓋的位置發(fā)生一定的低周期疲勞破壞。在這種氣體膨脹力的作用下，火管管壁產(chǎn)生的裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展， 直至火管管壁全裂透。

4.結(jié)束語

由以上分析可知，煙管穿孔主要是由于燃料燃燒產(chǎn)生的酸性介質(zhì)腐蝕造成；火管的穿孔是由于火管被墊板所覆蓋的管壁與墊板之間產(chǎn)生汽化膜，使火管被墊板所覆蓋的位置過熱嚴(yán)重，鋼材強(qiáng)度和塑性下降，在周期性的氣體膨脹力的作用下，火管壁出現(xiàn)鼓包，產(chǎn)生裂紋穿孔。因此，建議從以下幾方面采取措施，加以預(yù)防：

對(duì)于煙管：

1.在保證燃燒的情況下，盡量使用干氣，減少燃料中的硫分及水分，降低過?？諝饬?，抑制硫酸的生成，以延緩煙管的煙氣低溫露點(diǎn)腐蝕。

2.定期停爐，進(jìn)入火管與煙管連接部位，進(jìn)行腐蝕性檢查，發(fā)現(xiàn)問題，提前處理。

3.采用在煙管根部噴涂高溫防腐涂料（如高溫漆）的方法，可有效地防止低溫腐蝕。

4.在火管煙管連接焊縫處除銹后進(jìn)行耐腐蝕噴鍍處理，如滲鋁、滲碳等，也可有效提高其抗腐蝕性能。

5.在爐管焊接過程采用合理的焊接方法，減少焊接應(yīng)力。防止熱應(yīng)力疊加，以防止應(yīng)力腐蝕。

對(duì)于火管：

1.加長(zhǎng)耐火磚長(zhǎng)度，使墊板位于耐火磚覆蓋段的火管外側(cè)。

2.改變墊板位置，使其位于耐火磚覆蓋段的火管外側(cè)，或去掉墊板。

3.將墊板完全焊接在火管表面。

4.每年加熱爐清淤過程中，徹底清除墊板表面及其周圍的結(jié)垢。

5.在火管內(nèi)設(shè)一個(gè)與火管內(nèi)徑接近的耐火環(huán)，用軟連接，在燒火間拉動(dòng)連接鏈，可使環(huán)在火管內(nèi)徑向自由移動(dòng)。日常巡回檢查中，移動(dòng)該環(huán)，如果環(huán)在某處移不動(dòng)，說明該處火管可能鼓包。

參考文獻(xiàn)：

[1]王京貴、劉山：《加熱爐爐管穿孔事故分析》，河南油田分公司南陽石蠟精細(xì)化工廠，2001。

[2]顧春琳：《原油熱水加熱爐爐管表面腐蝕原因分析》，油氣儲(chǔ)運(yùn)。2003，22（5）30～32。