姚稷天,王志中,姜戰(zhàn)飛,鄭嬌麗
(洛陽(yáng)瑞澤石化工程有限公司,河南 洛陽(yáng)471003)
石油化工是國(guó)民經(jīng)濟(jì)四大支柱產(chǎn)業(yè)之一,屬易燃易爆、火災(zāi)多發(fā)行業(yè),而管式加熱爐造成火災(zāi)爆炸的事故率高居煉廠首位。過去對(duì)管式爐的安全教育多從開工、生產(chǎn)角度進(jìn)行報(bào)導(dǎo),本文從工程源頭設(shè)計(jì)角度作以簡(jiǎn)介,以引起有關(guān)從業(yè)人員的重視。
頂燒制氫轉(zhuǎn)化爐爐型優(yōu)點(diǎn)很多,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、問題多。有的轉(zhuǎn)化爐熱負(fù)荷僅5 000 m3/h,也選用燃燒器在爐頂?shù)捻敓隣t型,增加投資與技術(shù)難度,事故隱患增多。爐負(fù)荷在2×104m3/h 以下的轉(zhuǎn)化爐可用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的燃燒器安裝在爐體兩側(cè)的側(cè)燒爐型,負(fù)荷大于2×104m3/h 才用頂燒爐。
某項(xiàng)目為充分利用加熱爐爐膛空間,在圓筒爐內(nèi)用多邊形狀排管(見圖1)。爐管為單排雙面輻射,受爐管與燃燒器距離不等的影響,爐管極易產(chǎn)生局部過熱,影響出力與燒壞爐管。
圖1 多邊形排管示意圖
設(shè)計(jì)橫管立式爐時(shí),對(duì)流爐管與立式爐側(cè)面同長(zhǎng),因煙氣總是就近排出,對(duì)流管兩端受熱不足,除了出現(xiàn)加熱死角與盲區(qū),因20 多米長(zhǎng)的對(duì)流爐管有的中間有接口,該焊口不合格時(shí),會(huì)引起漏油著火,無法檢查缺陷部位,更換爐管很困難。
小負(fù)荷管式爐熱效率不高,產(chǎn)生的煙氣量不多,不宜設(shè)余熱回收設(shè)備,否則回收投資年限很長(zhǎng),得不償失,還增加爐區(qū)系統(tǒng)火災(zāi)事故隱患。
管式爐管內(nèi)高溫加熱的介質(zhì)(油或氣)是不能與空氣接觸的,一旦泄漏,遇到空氣立刻燃燒,甚至爆炸,所以爐管是引發(fā)火情的重要頻發(fā)場(chǎng)所,具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
各爐管與燃燒器距離不等,提高遠(yuǎn)離燃燒器的爐管熱強(qiáng)度時(shí),近距燃燒器的爐管會(huì)局部過熱,因爐管圓周長(zhǎng)度方向與燃燒器距離是不相等的,故要按平均/最大熱強(qiáng)度比找出最佳比值,努力提高平均熱強(qiáng)度。
立管爐爐管膨脹時(shí)被爐底導(dǎo)向管積灰阻塞,爐管向不同方向彎曲變形過大,易燒壞爐管;減壓爐擴(kuò)徑段流型不好,爐管產(chǎn)生局部過熱,出現(xiàn)裂紋。
某廠減壓爐為立管,油品氣化后易在下行管內(nèi)發(fā)生氣液兩相分離,兩相區(qū)流動(dòng)狀態(tài)惡化,導(dǎo)致局部過熱而結(jié)焦;焦化爐冷油流速偏低,油品在爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng),出現(xiàn)結(jié)焦(見圖2)。所以要:
(1)提高流速(國(guó)內(nèi)為1.4~1.6 m/s,國(guó)外為2.1~2.2 m/s);
(2)采用小管徑;
(3)多點(diǎn)注水使油品呈理想流型。
圖2 焦化爐爐管內(nèi)結(jié)焦(右圖陰影區(qū)域?yàn)榻箤樱┣闆r圖
某廠18×104t/a 溶劑脫瀝青裝置瀝青加熱爐,管徑Φ60,雙管程,因偏流導(dǎo)致結(jié)焦,后來更換了全部爐管。為此,必須保持爐內(nèi)壓力,不讓溶劑過早蒸發(fā),過早分層。
某廠渣油加氫分餾爐爐管為1Cr5Mo。在高溫狀態(tài)下,因H2+H2S 的腐蝕以及爐管選材等級(jí)偏低,壁厚減薄,造成失火。在抗腐蝕方面,主要是提高爐管材質(zhì)等級(jí),而不是增加壁厚。壁厚腐蝕余量不要取得過大,一般不銹鋼腐蝕余量為0~0.8 mm,碳鋼和低合金鋼腐蝕含量≤3.2 mm。壁厚若小于計(jì)算允許值時(shí),爐管應(yīng)報(bào)廢。
某廠重整余熱鍋爐,爐用瓦斯含硫高,煙氣對(duì)預(yù)熱段爐管腐蝕嚴(yán)重,造成穿孔,因此要用含硫低的系統(tǒng)瓦斯,少燒含硫高的拔頭油。
偏流主要發(fā)生在雙管程和多管程中,當(dāng)流量減少時(shí)發(fā)生偏流,流量少的一路易結(jié)焦,使?fàn)t管干燒,損壞爐管。對(duì)稱布置的爐管,管程數(shù)盡量減少,一程不要立即分為四程,每次分為兩程,梯次增加,分支前應(yīng)保證有足夠的直管長(zhǎng)度,至少為20 倍管徑。
對(duì)流室有許多爐外彎頭焊接時(shí)最后對(duì)接的彎頭固定口因常處于邊角區(qū),無法探傷檢查,靠焊工技術(shù)水平作業(yè),當(dāng)焊接質(zhì)量不合格時(shí)出現(xiàn)漏油。
有的廠將減壓爐臥管爐型的連接彎頭全部放在爐內(nèi)加熱,在檢修或換管時(shí),由于管墻距太小,焊接與檢測(cè)困難,容易產(chǎn)生泄漏。
設(shè)計(jì)文件對(duì)回彎頭脹接要求不全,導(dǎo)致脹口面不平、不緊、管壁端面翻邊量不夠。有的回彎頭、堵頭材質(zhì)不好,形成沙眼或出現(xiàn)爐管脹口處的脹大值超過規(guī)定值,產(chǎn)生泄漏。
某廠制氫轉(zhuǎn)化爐對(duì)流蒸汽過熱段,采用304 材質(zhì),爐管在煙氣溫度大于300 ℃時(shí)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,大量蒸汽泄漏,并有堿液外流。
某廠6×104m3/h 制氫轉(zhuǎn)化爐下集氣管(冷壁)(15Cr-MoA)與奧氏體不銹鋼過渡段(0Cr18Ni10Ti)連接管異種鋼管相焊接(見圖3),焊后有較大的殘余應(yīng)力,而下集氣管內(nèi)部填充材料含有大量氯離子導(dǎo)致奧氏體不銹鋼過渡段在高溫下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕,出現(xiàn)裂紋,324 根下尾管有89 根泄漏,造成裝置試運(yùn)中斷。設(shè)計(jì)人員對(duì)氯離子含量高、 氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋認(rèn)識(shí)不足,選用0Cr18Ni10Ti 材質(zhì),熱處理造成敏化,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂,后更換為15CrMoR 材質(zhì),問題解決。
圖3 下集氣管(冷壁)與加強(qiáng)管示意圖
制氫轉(zhuǎn)化爐對(duì)流蒸發(fā)段集氣管段支管接主管的焊接,設(shè)計(jì)要求采用全熔透角焊焊接時(shí),焊接困難,造成4 根報(bào)廢且800 多根返工,后采用開35°坡口角焊方法,避免隱患。
立管圓筒爐爐管材質(zhì)為1Cr5Mo,爐底導(dǎo)向桿材質(zhì)為304,這兩種異種材料相焊接不合適,導(dǎo)致斷裂。
(1)10#、20#鋼的應(yīng)用
10#鋼含碳量0.1%,強(qiáng)度較低,伸長(zhǎng)率較高,可焊性較好,適用于脹接。
20#鋼含碳量0.2%,強(qiáng)度較高,伸長(zhǎng)率較低,可焊性不如10#,不適用于脹接。
蒸餾裝置加熱爐常用碳鋼爐管,若用脹接回彎頭時(shí),應(yīng)采用退火狀態(tài)的10#鋼管,但用沖壓彎頭時(shí),應(yīng)采用有較高蠕變應(yīng)力的退火狀態(tài)下的20#鋼管。
(2)使用脹接回彎頭時(shí),管子硬度必須低于回彎頭本體的硬度,才有良好的脹接質(zhì)量。
20#鋼管抗時(shí)效性能優(yōu)于10#鋼管,所以輻射爐管常用20#,而不用10#。
蒸餾裝置煉中東、沙特原油時(shí),含硫及高酸的原油對(duì)爐管及彎頭沖蝕嚴(yán)重,腐蝕設(shè)備,使加工惡化。管式爐煉含高硫低酸原油時(shí),主要是高溫硫腐蝕,管材為鉻鉬鋼,但它只能抵抗低環(huán)烷酸腐蝕,煉含高硫高酸原油時(shí)主要是環(huán)烷酸腐蝕,管材用不銹鋼,防止腐蝕及氧化破壞。如煉制進(jìn)口高酸原油時(shí),常減壓爐不用鉻-鉬鋼管,而用TP316L 或TP317L。
在福建騰龍、惠州、大連福佳、上海金山、長(zhǎng)慶石化五個(gè)大型煉廠的PX 裝置與溶劑脫瀝青裝置加熱爐中,因加熱爐焊口不合格和機(jī)械密封泄漏,曾發(fā)生爐管焊縫裂爆等事故,引發(fā)大火。
韓國(guó)蔚山、洛陽(yáng)、茂名及鎮(zhèn)海四大煉廠加氫裂化重沸爐、 分餾爐對(duì)流室下方的遮蔽管區(qū)發(fā)生遮蔽管漏油失火事故。原因是進(jìn)料介質(zhì)含有H2S,嚴(yán)重腐蝕爐管,使管壁減薄。介質(zhì)從對(duì)流轉(zhuǎn)輻射為兩相流,逐漸氣化,流速增加,腐蝕加快。低負(fù)荷時(shí),兩相流分層,在對(duì)流室底部第二排爐管的上端出現(xiàn)開裂、爆管、著火,所以遮蔽管的材料要與輻射室爐管材質(zhì)相同。另外,轉(zhuǎn)油線宜置于爐外,可避免因轉(zhuǎn)彎多、直段部分長(zhǎng)度短而形成湍流或液節(jié)流流型。
某廠制氫轉(zhuǎn)化爐下支尾管焊縫開裂,氫氣外泄著火,原因是尾管設(shè)計(jì)許用應(yīng)力選取過高,變形補(bǔ)償不足,使接頭開裂,應(yīng)增加下尾管長(zhǎng)度,增加變形補(bǔ)償能力。角焊縫應(yīng)改為對(duì)接焊縫。
某廠制氫轉(zhuǎn)化爐爐管嚴(yán)重超溫,運(yùn)行18 h 后發(fā)生蠕變破裂。
某廠制氫轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)不到48 h 后爐管突然破裂著火,原因是管材晶界處碳化物過多,疏松空間削弱了韌性,產(chǎn)生微裂紋,還有的爐管高溫?fù)p傷變形,鼓包直至開裂。
過飽和蒸汽不要放在對(duì)流高溫段,應(yīng)放在<400℃對(duì)流段。
熱載體爐爐內(nèi)盤管長(zhǎng)期超溫工作,各種性能下降,會(huì)使盤管發(fā)生穿孔滲漏,或?qū)嵊褪軣峒眲∨蛎洠瑝毫υ黾?,造成爐管破裂。
高溫氧化減薄管壁,使?fàn)t管壽命變短,一不小心就引發(fā)事故。
爐管長(zhǎng)期使用后,材料組織不穩(wěn)定,產(chǎn)生老化,沖擊值、高溫機(jī)械性能下降,壁厚減薄,造成破壞。
爐管反復(fù)結(jié)焦,嚴(yán)重滲碳,滲入的碳沿晶界間析出碳化物,使材料老化變脆。
老化變脆的爐管經(jīng)不起頻繁的強(qiáng)烈冷卻沖擊,如轉(zhuǎn)化爐爐管的破壞是熱疲勞,其使用壽命取決于開停工的循壞次數(shù),另外開停工操作復(fù)雜,需要時(shí)間長(zhǎng),只能降量維持低處理量生產(chǎn),氫氣放空,石腦油浪費(fèi)大,所以爐子減負(fù)荷時(shí)工廠寧愿低負(fù)荷生產(chǎn),也不愿在幾臺(tái)相同爐子中開一臺(tái)停一臺(tái)。
重整鉻鉬鋼爐管,長(zhǎng)期使用后,高溫蠕變,壽命減短。
導(dǎo)熱油爐爐管內(nèi)存水時(shí),未除凈的水受熱膨脹,存在隱患,易發(fā)生爐管穿孔,油品滲漏燃燒,造成爐管短時(shí)急劇過熱破裂,引發(fā)事故。
對(duì)流尾部爐管壁由于低溫露點(diǎn)結(jié)露而形成硫酸腐蝕,露點(diǎn)溫度隨煙氣組分的變化而變化,沒有一個(gè)準(zhǔn)確數(shù)值,煙氣中SO2增多,露點(diǎn)腐蝕溫度也增高,所以單純提高排煙溫度還不能絕對(duì)保證避免發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。現(xiàn)在為節(jié)能提高熱效率,油入口與排煙之間溫差減為30~80 ℃,如無較好的防腐措施,會(huì)引發(fā)爐管嚴(yán)重腐蝕、泄漏。
某廠管式爐因空氣量不足,燃料不完全燃燒時(shí),燃燒產(chǎn)物中含有可燃?xì)?。如與煙道中空氣混合達(dá)到一定濃度時(shí),發(fā)生燃燒爆炸。
鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口安放位置與裝置內(nèi)設(shè)置的管橋(管網(wǎng))較近時(shí),管網(wǎng)外泄的可燃?xì)獾缺晃牍娘L(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口管,發(fā)生爆炸。
某廠加熱爐長(zhǎng)明燈因爐膛壓力波動(dòng)熄火,此時(shí)鼓風(fēng)機(jī)停運(yùn),打開風(fēng)門后,瞬間燃料氣入爐發(fā)生閃爆,所以要增加長(zhǎng)明燈抗干擾能力,切斷閥要聯(lián)鎖關(guān)閉,防止燃料氣入爐囤積后閃爆,或安裝紫外線火焰監(jiān)測(cè)儀,監(jiān)測(cè)火焰。
排凝系統(tǒng)瓦斯罐未裝視窗,不能直觀積液情況,罐中凝液未脫凈,發(fā)生回火與閃爆。
燃燒器到煙囪出口的阻力通過煙囪抽力來解決,一般說煙囪抽力超過30 mmH2O 時(shí)要設(shè)引風(fēng)機(jī),否則爐膛變正壓,煙氣外泄,造成事故。
某廠150×104t/a 連續(xù)重整裝置圓筒爐原設(shè)計(jì)熱風(fēng)道無保溫,導(dǎo)致風(fēng)道外壁溫度過高,存在火災(zāi)隱患。
立管爐型爐管常從輻射爐頂穿出,因爐頂管孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng),開口處因爐管膨脹,將管孔處爐襯損壞,造成爐襯減薄或部分脫落。高溫?zé)煔馔庑沟膶?shí)例很多,過去采用耐火磚爐襯,因所用耐火磚型多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,膨脹使磚擠斷、脫落,有的爐頂板溫度高達(dá)120 ℃。
某廠1.5×104m3/h 制氫轉(zhuǎn)化爐設(shè)有兩套鼓、引風(fēng)機(jī)(鼓風(fēng)機(jī)55 kW,引風(fēng)機(jī)75 kW),一套為備用。因誤操作,引風(fēng)機(jī)停運(yùn)十分鐘,爐膛憋壓造成熱沖擊,爐管彎曲,防爆門的門框爆彎,原因是備用風(fēng)機(jī)與在用風(fēng)機(jī)未聯(lián)鎖,不能自動(dòng)切換,只能等操作工人工切換。故可以增設(shè)事故旁路煙道或事故停電排煙設(shè)施,與此同時(shí)應(yīng)增加燃料氣—事故煙道—電源之間的聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)施。
制氫裝置轉(zhuǎn)化爐(側(cè)燒)爐底近百根進(jìn)口的Φ32×3.5 的下尾管膨脹時(shí),保溫箱卡住了800 ℃的保溫層,僅下尾管移出;800 ℃的Φ406 mm×28 mm×11 200 mm 下集氣管膨脹時(shí),中部支撐環(huán)卡住下集氣管保溫層,使高溫爐管裸露約200 mm,燒紅的管壁裸露。
介質(zhì)中含鹽量過高,會(huì)產(chǎn)生焦層、垢層,損壞爐管,所以介質(zhì)入爐前要先脫鹽或?qū)⒃拖冗M(jìn)行閃蒸,使含鹽量減少到規(guī)定值以下。
海南某廠釬焊翅片管運(yùn)輸卸貨時(shí)發(fā)現(xiàn)翅片管表面出現(xiàn)微裂紋而退貨,否則生產(chǎn)時(shí)600~700 ℃釬料浸入造成“銅脆”現(xiàn)象,會(huì)迅速造成表面微裂紋的擴(kuò)張,后果不堪設(shè)想。原因是在加工過程中釬料侵入奧氏體管材晶界間,并沿晶界向管材內(nèi)部擴(kuò)散,引起母材開裂。甚至只是在室外長(zhǎng)期放置,也會(huì)有此現(xiàn)象。所以不能采用焊著率100%的釬焊翅片管,而采用技術(shù)可行的焊著率85%以上的高頻焊接翅片管為宜。
ND 鋼是采用一種特殊的冶煉和軋制工藝,保證表面能形成一層富含Cu、Sb 的金屬層,并能形成鈍化膜,其抗腐蝕能力比碳鋼高10 倍以上,為不銹鋼
造假ND 鋼出售,他們不了解ND 鋼的成分控制范圍,不了解熱成型工藝,產(chǎn)品化學(xué)成分和正宗ND 鋼差別很大,有的假ND 鋼制作的爐管的質(zhì)量及抗腐蝕能力還不如碳鋼管,引發(fā)多起事故。
吹灰器本身不能引發(fā)火災(zāi),但對(duì)流尾部爐管因吹灰效果不好,含有硫酸的蒸汽就會(huì)在管子外表面冷凝、結(jié)露,并嚴(yán)重腐蝕爐管,引發(fā)事故。爐管表面因外垢熱阻Ra 的大小與吹灰器安裝正確的位置以及吹灰次數(shù)有關(guān),所以要用聲波和激波兩種吹灰器聯(lián)合使用。對(duì)流高溫段利用聲波震動(dòng)使灰塵脫落,低溫段利用燃?xì)庖臎_擊波除垢,無死角、效果好、也避免聲波噪音夜間擾民。
煙氣中有一部分SO2、H2S、水蒸氣和單質(zhì)硫從長(zhǎng)期生產(chǎn)后襯里出現(xiàn)的裂縫孔隙進(jìn)入爐壁板處,因晝夜溫差大,使壁板結(jié)露,產(chǎn)生H2SO4腐蝕金屬,使耐熱襯里碳鋼保溫釘被氧化,強(qiáng)度降低,有的廠焊在壁板上的保溫釘從根部脫落; 硅酸鋁耐火纖維襯里低溫腐蝕,保溫釘脫落后,爐壁溫度甚至達(dá)到360 ℃以上。要求:(1)保溫釘有足夠抗拉脫強(qiáng)度;(2)采用小間距,形狀復(fù)雜的保溫釘;(3)保溫釘端部涂上石蠟、馬林脂、塑料等,燒后形成空隙,保證膨脹;(4)耐熱襯里中加入分散和不同方向的鋼纖維,可抑制干燥脹縮;(5)保溫釘材質(zhì)升級(jí)。
某廠制氫轉(zhuǎn)化爐陶纖爐襯的看火孔磚僅坐落在陶纖爐襯上,硅酸鋁耐火纖維濕法成型輕質(zhì)耐熱磚無其他支撐,生產(chǎn)時(shí)爐襯收縮變形,看火門磚移位,爐襯出現(xiàn)裂縫,爐壁板嚴(yán)重超溫。
低壓瓦斯燃燒器及預(yù)混式瓦斯燃燒器瓦斯壓力不穩(wěn)時(shí),易回火,火焰在噴管內(nèi)燃燒,燒壞燃燒器噴管與附近爐襯,導(dǎo)致爐壁板超溫、爆皮、鼓包(見圖4)。
圖4 制氫轉(zhuǎn)化爐板式無焰燃燒器因回火燒壞的燃燒器噴管實(shí)物圖
噴嘴與槍體連接絲扣選擇不合適,或未認(rèn)真檢查制造質(zhì)量,造成漏油、漏氣;燃燒器油槍絲扣不嚴(yán),加工精度不夠,造成爐底漏油、漏氣,引發(fā)火災(zāi)隱患。
燃料管線和燃燒器的墊片規(guī)格不對(duì),墊片材質(zhì)差,防滲性下降,產(chǎn)生泄漏。
茂名某廠轉(zhuǎn)化爐頂燒燃燒器無法調(diào)節(jié)噴嘴,噴嘴長(zhǎng)度不夠,造成回火。可將火嘴框改為可前臺(tái)移動(dòng),以保證噴嘴伸入爐膛長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)。
高氫燃燒器的選用:
燃料含氫量50%~60%,有的達(dá)到90%,為高氫燃料,選用普通燃燒器極易回火、爆炸,原因是氫氣的燃燒速度快,回火傾向大,著火范圍與操作范圍廣。高氫燃燒器是外混式燃燒器,與普通燃燒器不同,它采用大直徑噴嘴,一次進(jìn)行配風(fēng),火盆短,可使燃料氣與空氣混合間隙縮短,減弱了進(jìn)風(fēng)旋流,使燃燒器處于“弱化燃燒”狀態(tài)。由于火焰長(zhǎng)度增加,可抑制NOx的形成。
從上述部分事例來看,因設(shè)計(jì)不佳造成的火險(xiǎn)隱患很多,在設(shè)計(jì)中如有一處細(xì)枝末節(jié)出了問題,就可能造成一次火災(zāi)、 一次爆炸或者驚天動(dòng)地的大災(zāi)難,釀成大禍。設(shè)計(jì)本身如存在不安全,嚴(yán)格地說,設(shè)計(jì)者就是殺手,就是犯罪。而“低標(biāo)準(zhǔn)、老毛病、壞習(xí)慣”是根源,所以設(shè)計(jì)不是紙上談兵,要牢記“質(zhì)量鑄就未來”,精心設(shè)計(jì),確保工程設(shè)計(jì)質(zhì)量,從設(shè)計(jì)源頭努力消除工程隱患,利國(guó)利民。