一種防止爐管下沉的穩(wěn)定系統(tǒng)在管式爐中的應用

李 強 ，周玉青

（1.梅山鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210039；2.墻州環(huán)境科技服務(南京)有限公司，江蘇 南京210048；3.南京科技職業(yè)學院 化工與材料學院，江蘇 南京210048）

管式爐內(nèi)的環(huán)形爐管是管式爐的核心部件，進口料管是該裝置的主要管線，對生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。 但工程技術(shù)人員大多更關(guān)注生產(chǎn)工藝的變化，對管道關(guān)注度不高， 認為其是影響生產(chǎn)的次要因素。事實上，裝置連接的管道出現(xiàn)問題對生產(chǎn)的影響是連續(xù)的，巨大的。

輕油蒸餾裝置2011 年4 月投產(chǎn)后， 該處進口管道至 2018.9 月管道使用壽命 24×365×7.5=74 460 h，與規(guī)范參考的設(shè)計壽命時間100 000 h 相比差距很大，只有74.46%。

1 原進料管到管式爐環(huán)形爐管工藝設(shè)計

從輕油捕集系統(tǒng)及洗萘裝置來的富油進入富油槽（槽內(nèi)40 ℃）沿管線（設(shè)計采用20 鋼）加熱至溫度35℃，由富油泵（Q=100 m3/h，H=90 m）輸出，沿管線進入油汽換熱器（本體40 ℃）換熱至75 ℃，進入貧富油換熱器（本體80 ℃）換熱至155 ℃，沿管線進入管式爐進料變徑管道處Φ150（DN159×4.5）變至 Φ100（DN108×4），分成兩路管道進入管式爐爐頂（本體40 ℃）進行加熱，至 185 ℃，最后進入脫苯塔（本體 200 ℃），見圖 1、圖 2。

2 裝置損壞狀況

圖1 原工藝流程示意圖

圖2 原爐管采用卡箍固定示意圖

2018 年 9 月 29 日 16:40， 二期輕油管式爐到脫苯塔的富油DN159 總管（在輕油平臺3 樓）彎頭焊縫處泄漏，造成輕油管式爐停工22.50 h。2018 年11 月19 日07:50，生產(chǎn)操作人員發(fā)現(xiàn)二期輕油管式爐進口富油管三通泄漏漏料（見圖3~圖5），至9 月19 日中午12：30 對富油管三通（DN100）一段整體更換造成輕油管式爐停工 13.42 h。 2018 年 12 月 23 日 06:10左右，二期輕油管式爐進口富油管三通處附近漏油，檢查發(fā)現(xiàn)是DN100 富油管支路漏油（見圖6、圖7），此次故障造成停機17 h。

以上三次泄漏腐蝕均發(fā)生在富油油汽換熱器（本體40 ℃）換熱至75 ℃，進入貧富油換熱器（本體80℃）換熱至155 ℃，沿管線進入管式爐進料變徑管道處 Φ150（DN159×4.5）變至 Φ100（DN108×4），分成兩路管道進入管式爐爐頂（本體40 ℃）進行加熱至185℃這段管路上，由于管式爐煙囪里面的耐熱保溫膠經(jīng)過長時間高溫排放造成脫落，膠乳在對流段的葉片上結(jié)垢，致使管式爐對流段吸熱效果變差。 為了達到工藝要求，生產(chǎn)方調(diào)大了煤氣供應量，燃燒室內(nèi)的溫度由750 ℃上升到800 ℃。管式爐內(nèi)爐管膨脹量加劇造成起固定作用的圓形抱箍卡死裹緊，造成豎向起支撐作用的圓形立柱下沉發(fā)生位移（見圖8、圖9）。

圖3 原直管加旁通進料管現(xiàn)場圖

圖4 泄漏局部圖

圖5 泄漏處用抱箍方式實物圖

圖6 彎頭內(nèi)部泄漏處實物圖

圖7 對彎頭處破開查看

圖8 傾斜爐管東面

圖9 傾斜爐管西面

隨著生產(chǎn)時間的推移, 管式爐內(nèi)壁保溫層損壞，爐壁外殼受高溫變形，從而導致爐管發(fā)生傾斜倒塌撕裂，爐管里面的含苯洗油泄漏，產(chǎn)生燃燒爆炸的危險。該管式爐現(xiàn)使用焦煤約250 m3/h， 使用高煤約2 000 m3/h，主要是管式爐沒有按標準進行優(yōu)化操作，使部分煤氣隨著煙道尾氣排出，沒有得到充分燃燒，在管式爐煙道測尾氣 O2濃度為 1 500×10-6，CO 濃度為12.35×10-6，造成分公司能源消耗居高不下。

根據(jù)圖10 管式爐傾斜圖，對發(fā)生傾斜下沉的爐管進行觀測。 東面爐管數(shù)據(jù)29 cm， 西面爐管數(shù)據(jù)27 cm， 經(jīng)過134 d 觀測發(fā)現(xiàn)東面爐管數(shù)據(jù)下沉至7.8 cm， 西面爐管數(shù)據(jù)下沉至19 cm， 分別下沉了21.2 cm 和 8 cm。

3 改進方案

圖10 管式爐爐管下沉傾斜圖

針對進料管在進爐膛加熱前走向分布是兩個直管加旁通的模式。 因為每月生產(chǎn)處理富油的量是不固定的，有多有少，在產(chǎn)量需求大時，進入直管和旁通的富油對連接管道上的流量計和閥門的壓力是近乎相等的，但產(chǎn)量減小時，進入直管和旁通的富油壓力兩邊就會不均勻，直管處單邊受力增大，旁通受力變小。造成較強的沖刷力使直管上安裝的流量計的閥芯腐蝕加劇，造成泄漏。 需調(diào)節(jié)流量計前邊的閥門控制富油流量。隨著時間的推移在高溫沖擊腐蝕下造成該處直管管道管壁壁厚減薄發(fā)生泄漏。加上管式爐煙囪里面的耐熱保溫膠經(jīng)過長時間高溫排放造成脫落，膠乳在對流段的葉片上結(jié)垢，致使管式爐對流段吸熱效果變差。 為了達到工藝要求，生產(chǎn)方調(diào)大了煤氣供應量，燃燒室內(nèi)的溫度由750 ℃上升到800 ℃。 管式爐內(nèi)爐管膨脹量加劇，造成起固定作用的圓形抱箍卡死裹緊，造成豎向起支撐作用的圓形立柱下沉發(fā)生位移同時內(nèi)部管式爐爐管卡箍開裂，環(huán)形爐管下沉。

將該處進料管直管加旁通的模式改成等距雙向分布（見圖11）。 富油分成兩路進入下一流程管線，壓力對等釋放，極大減低該段管道沖擊力。 利用李強等專利ZL 201922075957.3《一種加熱爐環(huán)形爐管防傾斜裝置采用的方法》， 同時將固定爐管的抱箍改進成開口托架的形式，讓爐管在高溫富油由155 ℃上升至185 ℃這一過程中爐管在立柱焊接的開口托架發(fā)生膨脹變形時可以自由伸縮（見圖12～圖14）。這樣進口管道使用時間延長很多，裝置使用正常，對煤氣處理苯及下游煉鋼系統(tǒng)鋼坯的質(zhì)量起了保證作用。

3.1 材料改變

進口富油料管使用前的管道材料：材質(zhì)為流體用熱軋無縫管（20#優(yōu)質(zhì)碳素鋼）無縫鋼彎頭90E（L）-150BSch40-20（159×7），材質(zhì)：20#鋼法蘭 HG/T20592-2009 PL DN150（B）-16 RF 20 號鋼鍛。

改進后的管道材料：不銹鋼無縫鋼管材質(zhì):06Cr19 Ni10，不銹鋼彎頭 90E（L）-150B-Sch20-304，不銹鋼法蘭DN150-PN16 PL RF I 06Cr19Ni10。

圖11 進料管及爐管托架改進示意圖

圖12 開口托架放大圖

圖13 采用開口托架進行加固局部圖

圖14 采用開口托架進行加固俯視圖

3.2 擬新增6 根立柱

在輻射段爐內(nèi)搭好腳手架。 在輻射段爐頂上距外圓約450 mm 處開6 個Φ150 mm 的孔，其中東偏北和西偏南的兩個孔可能要偏外側(cè)并在吊裝立柱時要損壞爐子側(cè)壁耐火層。 孔的位置盡可能靠近原立柱，具體位置現(xiàn)場商定。

從開的孔中安裝新立柱，注意L=12 200 mm 的兩個立柱安裝在西北和北偏東方向。 立柱就位后安裝焊接立柱支架、立柱底板、立柱筋板及立柱上部的管座，注意焊條選用E308-16。 6 個立柱全部安裝好后再開始安裝焊接爐管托架， 共計焊接256 個爐管托架，注意焊條選用E310-16。 檢查從對流段到輻射段連接管的4 個彎頭是否有變形，如有進行更換。將爐頂開的6 個孔進行回補（爐內(nèi)側(cè)設(shè)一保溫用鉤釘），要求全焊，不能有泄漏，以防雨水滲入。

4 烘爐

（1）加熱爐系統(tǒng)吹掃置換合格，工藝流程經(jīng)檢查無誤。

（2）蒸汽干燥、點火升溫。

（3）打開煙道擋板至1/3。 稍開各火嘴風門至合適位置，投用儀表，控制爐膛負壓為5～10 mmH2O。

（4）打開蒸汽向爐膛內(nèi)吹掃，直至煙囪大量見氣約5 min，關(guān)閉蒸汽。向爐管內(nèi)引入保護蒸汽，使爐內(nèi)升溫，儀表投用，保持升溫速度。

（5）調(diào)節(jié)煙道擋板開度，按照升溫速度，在爐膛溫度到120 ℃左右并保持恒溫。

（6）準備點火升溫，通知化驗室做爐膛爆炸氣分析，合格即可準備點火。若從采樣分析到點火間隔時間超過40 min，應重新采樣。

（7）點火時用點著的棉紗棒從長明燈旁點火孔伸進，并且打開看火孔查看，注意防護，一手慢慢打開長明燈進氣閥門，并且逐漸開到最大。最好有一人從看火孔協(xié)助觀察。

（8）調(diào)節(jié)風門，控制火焰。

（9）DCS 系統(tǒng)觀察爐膛溫度變化，并且及時聯(lián)系現(xiàn)場進行調(diào)節(jié)。

（10）根據(jù)烘爐要求控制閥門調(diào)節(jié)溫度，進行升溫、恒溫。

升溫步驟見表1。

表1 烘爐升溫表

5 烘爐曲線

參照爐襯施工、驗收標準（SH 3534-2001、SH/T 3115-2000），加熱爐制造廠提供的烘爐要求和同類設(shè)備烘爐方案，本公司加熱爐按下圖進行控制。在烘爐過程中，按實際時間——溫度記錄繪制實際控制線，并及時調(diào)整（見圖15）。

圖15 烘爐升溫曲線圖

烘爐過程中應隨時注意觀察爐出口溫度，同樣要求升溫緩慢（但沒有爐膛升溫要求嚴格），隨著爐膛溫度上升，爐管內(nèi)蒸汽通入量應相應增加。 烘爐過程中，為保持爐膛受熱均勻，要求火苗不長、不飄、不撲到任何一根爐管、任何一面爐墻，爐膛明亮清晰，煙道氣透明無色，不冒黑煙，爐膛始終保持負壓。

6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及效益計算

2018 年 2 月～2019 年 1 月二期輕油裝置粗苯高、焦煤統(tǒng)計見表3。

表3 2018 年二期輕油裝置高、焦煤消耗、粗苯產(chǎn)量表

2019 年 2 月～2020 年 1 月二期輕油裝置粗苯高、焦煤統(tǒng)計見表4。

效益計算（高煤單價為0.134 元/m3煤氣；焦煤單價為 2.38 元/m3煤氣）：

（實施前單耗-實施后單耗）×本工序受益產(chǎn)量×物料價格-開發(fā)費用=（186.67-72.31）×9 188.337×2.38-（2 055.98-1 465.14）×9 188.337×0.134=177.34萬元

表 4 2019 年 2 月～2020 年 1 月二期輕油裝置高、焦煤消耗、粗苯產(chǎn)量表

7 結(jié)論

通過對管道材質(zhì)進行更換及進料管線等距離調(diào)整減緩了進口壓力對流量計腐蝕損壞。 加強進口富油管抵抗沖擊氣腐能力。 改進環(huán)形爐管與立柱連接緊固方法， 采用開口托架固定環(huán)形爐管使環(huán)形爐管不再沉降，管式爐恢復正常工作狀態(tài)。

自實施后， 二期輕油管式爐使用焦煤約10 m3/h，使用高煤約2 500 m3/h，煤氣消耗明顯降低，管式爐在優(yōu)化操作后，煤氣在爐內(nèi)能夠充分燃燒，在煙道測尾氣 O2濃度為 5.00×10-6，CO 濃度為 1.00×10-6，使分公司的能源消耗得到了控制， 投入使用一年節(jié)約177.34 萬元。