加熱爐爐管損傷研究進(jìn)展及展望

許永勃，王妍芝

(1.中國石油工程建設(shè)有限公司 青海分公司，甘肅 敦煌 736202； 2. 中國石油青海油田分公司 勘探開發(fā)研究院， 甘肅 敦煌 736202)

加熱爐是石油化工行業(yè)最常見的設(shè)備之一，該種類型設(shè)備主要承擔(dān)著原油及化工原料加熱的任務(wù)，在對石油及化工原料進(jìn)行加熱的過程中，加熱爐爐管內(nèi)的溫度相對較高，受到內(nèi)部溫度、壓力以及其他因素的影響，加熱爐的爐管非常容易出現(xiàn)損傷問題，在爐管出現(xiàn)損傷問題以后，不但會使得加熱爐的運(yùn)行效率受到一定的影響，而且還容易引發(fā)其他類型的安全問題，由此可見，防止加熱爐的爐管出現(xiàn)損傷問題十分重要。為了防止加熱爐的爐管出現(xiàn)損傷問題，就必須對加熱爐爐管損傷出現(xiàn)的機(jī)理進(jìn)行深入研究，以此才能制定更好的防護(hù)方案。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對加熱爐爐管損傷問題進(jìn)行了深入研究，但是研究過程中仍然存在一定的問題，這些問題的存在對于該領(lǐng)域的發(fā)展而言十分不利。針對此問題，本次研究從加熱爐爐管損傷的危害出發(fā)，對加熱爐爐管損傷問題的研究進(jìn)展進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域研究中存在的問題，并從多個(gè)角度出發(fā)提出對未來研究的相關(guān)建議，為推動加熱爐爐管損傷研究的進(jìn)一步發(fā)展和間接保障加熱爐的運(yùn)行安全奠定基礎(chǔ)。

1 加熱爐爐管損傷危害性分析

對于加熱爐而言，與其他設(shè)備不同，該種設(shè)備在出現(xiàn)失效問題以后是很難通過肉眼察覺的，在另一方面，如果加熱爐的爐管出現(xiàn)問題，就必須對爐管進(jìn)行更換，以此防止因爐管損傷引發(fā)更大的危害，因此，使用加熱爐的企業(yè)必須制定專門的加熱爐維修周期。我國某企業(yè)在對加熱爐進(jìn)行檢修的過程中，在對加熱爐進(jìn)行金相檢測以后發(fā)現(xiàn)，加熱爐的爐管內(nèi)存在嚴(yán)重的滲碳現(xiàn)象，這說明該加熱爐在使用一段時(shí)間以后已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的爐管損傷問題，加熱爐的運(yùn)行性能也必然會出現(xiàn)衰退，為了保障該加熱爐的安全運(yùn)行，就必須對爐管進(jìn)行更換。

在加熱爐日常使用的過程中，受到爐內(nèi)壓力和溫度等多重因素的影響，會在加熱爐爐管的內(nèi)壁上產(chǎn)生眾多的焦炭，此時(shí)會使得加熱爐內(nèi)的溫度持續(xù)升高，溫度可以升高到700～1 500 ℃，受到高溫作用的影響，加熱爐的內(nèi)壁會出現(xiàn)氧化損傷問題。對于加熱爐的爐管而言，在使用的過程中受到氧化作用的影響，很可能會出現(xiàn)減薄、裂紋以及金相變化等問題。例如，隨著加熱爐內(nèi)碳化物的不斷聚集，加熱爐的金屬元素可能會重新分配，此時(shí)加熱爐的金屬機(jī)械性能就會出現(xiàn)一定的變化，加熱爐的韌性、強(qiáng)度以及抗高溫的能力都會出現(xiàn)衰退。

2 加熱爐爐管損傷研究進(jìn)展

2.1 腐蝕損傷

1)高溫氧化減薄

對于加熱爐的爐管而言，需要長時(shí)間在高溫的環(huán)境下工作，受到氧化作用，非常容易出現(xiàn)氧化腐蝕問題，一般情況下，加熱爐的爐管都是由碳鋼組成，當(dāng)所處的溫度達(dá)到480 ℃以后，就會出現(xiàn)爐管氧化腐蝕問題，隨著溫度的進(jìn)一步升高，在爐管表面會形成一層氧化保護(hù)膜，保護(hù)膜的存在會使得其腐蝕速率降低，如果碳鋼中含鉻量相對較高，則此時(shí)產(chǎn)生的保護(hù)膜保護(hù)作用就越強(qiáng)。2008年，我國某單位的加熱爐出現(xiàn)了爐管穿孔問題，在對爐管進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的高溫腐蝕現(xiàn)象，這就是典型的由于高溫氧化減薄引起的爐管損傷問題。

2)高溫硫化腐蝕

如果加熱爐處于正常的工作狀態(tài)，爐管內(nèi)的溫度并不是太高，此時(shí)并不會出現(xiàn)硫腐蝕問題，但是如果加熱爐內(nèi)的燃料無法正常的流動，爐管就會出現(xiàn)干燒問題，使出現(xiàn)硫腐蝕的幾率大大增加，硫腐蝕的出現(xiàn)與加熱爐的材質(zhì)以及燃料中的硫含量具有很大的關(guān)系。2006年，我國某單位生產(chǎn)的一種加熱爐在大慶油田使用的過程中出現(xiàn)了腐蝕開裂問題，同時(shí)，爐管內(nèi)還出現(xiàn)了著火現(xiàn)象，這是我國自行生產(chǎn)的設(shè)備首次出現(xiàn)該種問題，通過后期的研究發(fā)現(xiàn)，該種問題主要是由于奧氏體不銹鋼爐管的材質(zhì)所引起。

3)晶間腐蝕

對于金屬而言，由于晶粒和其內(nèi)部的成分存在一定的差距，會使得晶粒之間存在一定的內(nèi)力，此時(shí)非常容易出現(xiàn)晶粒間腐蝕問題，為了解決該問題，國內(nèi)外都已經(jīng)開發(fā)出了具有穩(wěn)定性能的不銹鋼，進(jìn)而使得該問題得到了解決，同時(shí)，國內(nèi)外還專門為此開發(fā)出了VOD金屬處理法和AOD金屬處理法，這些方法使得晶間腐蝕問題基本不再出現(xiàn)。

4)高溫氫腐蝕

對于加熱爐的爐管而言，受到其高溫作用的影響，氣體中的氫組分將會變得十分不穩(wěn)定，進(jìn)而與爐管金屬中的碳組分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)基本都是出現(xiàn)在金屬的晶粒之間，進(jìn)而使得金屬的強(qiáng)度得到一定的下降，嚴(yán)重時(shí)還會出現(xiàn)爐管斷裂問題，這種現(xiàn)象還可以稱為脆化現(xiàn)象。2013年，我國某單位的加熱爐爐管就出現(xiàn)了大量的裂紋，進(jìn)而引發(fā)了泄漏問題，通過后期的事故分析發(fā)現(xiàn)，這主要是由于燃料中含有大量的氫化物，產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

2.2 蠕變損傷

當(dāng)金屬長期處于高溫環(huán)境中工作時(shí)，且其應(yīng)力長期處于不變的狀態(tài)，此時(shí)金屬會出現(xiàn)塑性變形問題，最終會引發(fā)金屬破裂現(xiàn)象，爐管出現(xiàn)該種損失問題的基本條件為爐管所處的溫度相對較高、應(yīng)力相對較大且爐管使用的時(shí)間相對較長。通過對爐管的蠕變損傷問題進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，該種問題的出現(xiàn)可以分為三個(gè)階段，在第一個(gè)階段中，爐管將會出現(xiàn)初始的蠕變問題，隨著時(shí)間的推移，蠕變現(xiàn)象將會加快；在第二個(gè)階段中，爐管將會處于穩(wěn)定蠕變狀態(tài)，此時(shí)隨著時(shí)間的推移，蠕變現(xiàn)象的速度相對較慢，當(dāng)蠕變現(xiàn)象達(dá)到總?cè)渥兊?0%時(shí)，就會進(jìn)入到第三個(gè)階段，此時(shí)隨著時(shí)間的推移，蠕變的增加速度相對較大，最終引發(fā)蠕變斷裂問題。20世紀(jì)末，我國某單位使用的管式加熱爐就出現(xiàn)了嚴(yán)重的爐管斷裂問題，通過對后期事故原因進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，由于爐管使用時(shí)間相對較長，爐管內(nèi)已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的氧化層，進(jìn)而使得爐管長期處于高溫狀態(tài)下，蠕變現(xiàn)象十分嚴(yán)重，最終引發(fā)了斷裂問題。

2.3 材質(zhì)劣化

1)滲碳

當(dāng)金屬材料在高溫狀態(tài)下長期與含碳類物質(zhì)接觸時(shí)，碳元素會慢慢的向金屬的內(nèi)部擴(kuò)散，當(dāng)金屬內(nèi)的含碳量達(dá)到一定的數(shù)值以后，金屬內(nèi)部就會產(chǎn)生碳化物顆粒，這是引發(fā)金屬開裂的重要原因。對于加熱爐而言，石油化工中使用的加熱爐一般都是處于高溫的狀態(tài)，燃料中含有一定量的碳化物，這使得加熱爐非常容易出現(xiàn)滲碳損傷問題。

2)475 ℃脆性

部分加熱爐的爐管是由高鉻奧氏體不銹鋼制作而成，該種類型的爐管在500 ℃左右的環(huán)境中工作時(shí)，其強(qiáng)度會出現(xiàn)升高現(xiàn)象，但是其韌性會出現(xiàn)一定的下降，其耐腐蝕的能力也會出現(xiàn)嚴(yán)重的下降，該種現(xiàn)象在475 ℃的工作環(huán)境中十分常見，因此該種損失問題可以稱之為475 ℃脆性損失問題，一般情況下，當(dāng)爐管材料中的鉻含量相對較高時(shí)，則出現(xiàn)該種損傷問題所需要的加熱時(shí)間就越短。

3)σ相脆化

當(dāng)爐管材料為奧氏不銹鋼時(shí)，在長期高溫的環(huán)境中工作，金屬內(nèi)部會產(chǎn)生Fe和Cr兩種元素所組成的化合物，該種類型化合物主要是由鐵素體轉(zhuǎn)變而成，在轉(zhuǎn)變的過程中，鐵素體內(nèi)會產(chǎn)生大量的奧氏體，然后轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁?，?dāng)爐管材料中的Cr元素含量超過18%以后，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)就會出現(xiàn)σ相，這是一種脆相，σ相的存在會使得爐管的抗沖擊能力下降，同時(shí)也會使得爐管的抗腐蝕能力下降。

2.4 外(熱)應(yīng)力引起的變形

1)爐管嚴(yán)重彎曲

一般情況下，爐管出現(xiàn)彎曲問題并不能說爐管已經(jīng)被破壞，但是該種問題的出現(xiàn)會使得加熱爐的運(yùn)行受到嚴(yán)重的影響，在加熱爐運(yùn)行的過程中，如果迎火面金屬的膨脹量相對較大，此時(shí)爐管就會出現(xiàn)嚴(yán)重的彎曲現(xiàn)象，爐管的應(yīng)力就會逐漸在高溫作用中松弛，即使此時(shí)加熱爐停止工作，爐管也無法恢復(fù)到原來的狀態(tài)，同時(shí)，如果爐管出現(xiàn)了彎曲問題，此時(shí)繼續(xù)使用該種爐管會使得彎曲的速度增加，當(dāng)曲率達(dá)到一定的數(shù)值以后，加熱爐的爐管就會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

2)爆裂破壞

2011年，我國某單位的加熱爐在使用的過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的爐管爆裂問題，進(jìn)而在爐管內(nèi)也出現(xiàn)了起火問題，在后期事故原因調(diào)查的過程中發(fā)現(xiàn)，由于爐管的外表面存在一定的缺陷損傷，加上高溫的作用，進(jìn)而引發(fā)了該問題，爐管在日常運(yùn)行的過程中，將會受到環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的共同作用，缺陷的存在會使得爐管的應(yīng)力大幅降低，此時(shí)如果加熱爐的運(yùn)行壓力升高，在高溫的作用下，缺陷處的裂紋會加快擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定范圍時(shí)，加熱爐將無法承受應(yīng)力的作用進(jìn)而引發(fā)爆裂問題。

3 加熱爐爐管損傷研究存在的問題分析

1)未充分考慮加熱爐內(nèi)介質(zhì)的影響

加熱爐可以根據(jù)使用現(xiàn)場的不同分為多種類型，每種類型加熱爐所處的外界環(huán)境以及使用的燃料各不相同，燃料中組成成分的不同會對加熱爐爐管損傷問題產(chǎn)生不同的影響，例如燃料中含有的硫化物、氫化物以及碳化物等成分的不同，會給加熱爐的爐管帶來不同的損失問題，盡管目前對于爐管損傷問題的研究較為全面，但是在研究過程中對加熱爐內(nèi)介質(zhì)的考慮并不全面，這不利于加熱爐使用企業(yè)根據(jù)自身的實(shí)際情況制定合理的防護(hù)方案。

2)未進(jìn)行多種損傷因素聯(lián)合影響研究

上述分析中指出，目前的加熱爐損傷問題產(chǎn)生的原因相對較多，但是從實(shí)際來看，加熱爐爐管的損失基本都是由多種因素共同作用的結(jié)果，或者在加熱爐爐管使用的前期階段，已經(jīng)受到了某一作用產(chǎn)生了損傷問題，但是并沒有出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事故，在后期階段又受到另一種因素的影響進(jìn)而引發(fā)了風(fēng)險(xiǎn)事故，在事故調(diào)查的過程中可能僅考慮了后者因素的影響，并沒有考慮前一因素，這使得整個(gè)加熱爐爐管損傷問題的研究十分不全面，在后期加熱爐爐管使用的過程中，提高加熱爐爐管質(zhì)量所采取的相關(guān)措施也將變的不全面，這不利于加熱爐領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

3)未考慮加熱爐內(nèi)部變化對損傷的影響

在加熱爐使用一段時(shí)間以后，加熱爐內(nèi)部必然產(chǎn)生了嚴(yán)重的變化，例如如果加熱爐使用的燃料為原油，可能會在加熱爐的內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的蠟沉積問題，蠟沉積問題的出現(xiàn)是否會對爐管損傷產(chǎn)生影響不得而知，同理，加熱爐內(nèi)其他內(nèi)部現(xiàn)象的變化是否會對爐管損傷產(chǎn)生影響也不得而知，這說明目前對于加熱爐損傷問題的研究并沒有考慮加熱爐內(nèi)部變化的影響。

4)研究偏于理論

目前對于加熱爐爐管損傷問題的研究主要是從金屬損傷問題的角度出發(fā)對其進(jìn)行研究，盡管在研究的過程中也結(jié)合了實(shí)際的加熱爐爐管損傷現(xiàn)象，但是結(jié)合的力度不足，我國每年都會出現(xiàn)加熱爐爐管損傷問題，并沒有專業(yè)的研究人員對加熱爐爐管損傷問題的原因進(jìn)行深入的統(tǒng)計(jì)和分析，這使得大量的研究成果過于偏向于理論，在實(shí)際中并不適用。

4 加熱爐爐管損傷研究展望

1)充分考慮介質(zhì)因素對爐管損傷的影響

針對介質(zhì)的影響因素問題，研究人員需要根據(jù)加熱爐運(yùn)行現(xiàn)場的實(shí)際情況不同以及加熱爐所使用的燃料問題，對介質(zhì)影響進(jìn)行深入研究，研究的重點(diǎn)在與介質(zhì)中硫化物、氫化物以及碳化物等物質(zhì)的存在對加熱爐爐管內(nèi)部損傷的影響和外界環(huán)境中氣體組分的不同對于加熱爐爐管損傷問題的影響，同時(shí)，還需要在研究的過程中充分考慮這些物質(zhì)的綜合影響，根據(jù)研究結(jié)果，制定最合理的防護(hù)措施，以便于加熱爐使用企業(yè)可以根據(jù)自身的實(shí)際情況選擇最合理的防護(hù)措施，全面保障加熱爐運(yùn)行過程中的爐管安全。

2)應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行多影響因素聯(lián)合作用研究

多影響因素聯(lián)合作用的研究難度相對較大，對于單因素的研究而言，研究人員可以通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究，但是對于多因素影響而言，研究人員很難對實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確的把控，同時(shí)研究所需要的成本相對較高，針對此問題，研究人員可以充分使用各種類型的仿真軟件，例如ANSYS等，通過軟件模擬的方式，對多因素聯(lián)合影響進(jìn)行充分研究，其研究結(jié)果必然會推動加熱爐爐管損傷因素的全面發(fā)展，同時(shí)，這對于爐管的使用保護(hù)也十分有利。

3)研究過程考慮其他因素的影響

針對其他因素的影響問題，研究人員在進(jìn)行深入研究的過程中，首先需要考慮加熱爐內(nèi)所使用的燃料，考慮每種類型的燃料在使用的過程中是否會產(chǎn)生沉積物，結(jié)合沉積物的主要成分，討論這些成分是否會對加熱爐爐管損傷問題產(chǎn)生重要影響，通過該種研究，可以指導(dǎo)加熱爐使用企業(yè)對加熱爐內(nèi)的燃料進(jìn)行合理的更換，以此防止出現(xiàn)爐管損傷問題。

4)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行研究

事實(shí)上，我國和國外發(fā)達(dá)國家每年都會出現(xiàn)大量的加熱爐爐管損傷問題，但是并沒有研究學(xué)者對爐管損傷問題的原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如果進(jìn)行實(shí)際統(tǒng)計(jì)，通過大數(shù)據(jù)分析的方法，必然會發(fā)現(xiàn)實(shí)際的損失原因和理論研究結(jié)果存在一定的出入，同時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行的研究對于下一步制定爐管防護(hù)方案將更加有利，因此，建議相關(guān)學(xué)者在接下來的研究中結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行。

5 結(jié) 語

在本次研究中，首先對加熱爐爐管損傷問題出現(xiàn)以后所產(chǎn)生的后果進(jìn)行了深入探討，對目前加熱爐爐管損傷問題引發(fā)的原因進(jìn)行了現(xiàn)狀研究，提出了目前研究中存在的問題，最后針對這些問題提出了該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向，通過本次研究主要可以得出以下四條結(jié)論：

(1)與其他設(shè)備不同，加熱爐爐管在出現(xiàn)失效問題以后是很難通過肉眼察覺的，且出現(xiàn)損失問題后不但會使得加熱爐的運(yùn)行效率嚴(yán)重下降，同時(shí)，還會引發(fā)更加嚴(yán)重的現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)問題，在爐管出現(xiàn)損傷問題以后，并不能通過維修的方式進(jìn)行解決，只能對爐管進(jìn)行更換；

(2)目前的研究結(jié)果顯示，引發(fā)爐管損傷問題的原因主要可以分為四大類，分別是腐蝕損傷、蠕變損傷、材質(zhì)劣化以及外(熱)應(yīng)力引起的變形，腐蝕損失可以分為高溫氧化減薄、高溫硫化腐蝕、晶間腐蝕以及高溫氫腐蝕，材料劣化主要可以分為滲碳、475 ℃脆性以及σ相脆化，外(熱)應(yīng)力引起的變形主要可以分為爐管嚴(yán)重彎曲以及爆裂破壞；

(3)目前對于加熱爐爐管損傷問題的研究主要存在四大問題，分別是未充分考慮加熱爐內(nèi)介質(zhì)的影響、未進(jìn)行多種損傷因素聯(lián)合影響研究、未考慮加熱爐內(nèi)部變化對損傷的影響以及研究偏于理論，這些問題的存在對于加熱爐爐管領(lǐng)域的發(fā)展十分不利；

(4)未來相關(guān)學(xué)者需要從充分考慮介質(zhì)因素對爐管損傷的影響、應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行多影響因素聯(lián)合作用研究、研究過程考慮其他因素的影響以及結(jié)合實(shí)際進(jìn)行研究四個(gè)角度出發(fā)，分別采取多項(xiàng)有效措施，加強(qiáng)加熱爐爐管損傷問題的研究，以便加熱爐使用企業(yè)可以采取最合理的防護(hù)方案，加強(qiáng)爐管保護(hù)，防止出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)問題。