加熱爐火管結(jié)垢過(guò)熱燒損問(wèn)題研究與失效分析*

孟凡琦，孟慶武，姚依蘭，任黎明，張曉雪

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

?

加熱爐火管結(jié)垢過(guò)熱燒損問(wèn)題研究與失效分析*

孟凡琦，孟慶武，姚依蘭，任黎明，張曉雪

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318)

為了查明一起原油加熱爐的火管燒損泄漏事故，對(duì)火管垢層以及火管金相組織進(jìn)行了檢測(cè)分析，并對(duì)同類加熱爐火管垢層下的金屬溫度也進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，火管上表面積累的垢層導(dǎo)致金屬溫度過(guò)高，組織球化損傷，致使火管承載能力下降，在爐內(nèi)壓力長(zhǎng)期作用下蠕變鼓包變薄，最終造成破損泄漏。針對(duì)火管出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了組織損傷檢測(cè)評(píng)估、換用耐熱鋼材質(zhì)、縮短清垢周期等措施，避免了類似事故的發(fā)生。

加熱爐 火管 結(jié)垢 失效分析

油田使用的加熱爐多數(shù)都是四合一加熱爐，其加熱段為火筒式加熱機(jī)構(gòu)，包括燃燒器、火管和煙管等結(jié)構(gòu)。燃料在火管內(nèi)燃燒，通過(guò)火管和煙管的金屬壁向殼體內(nèi)油水介質(zhì)傳遞熱量[1]。隨著油田進(jìn)入后期開(kāi)發(fā)，聚合物驅(qū)油、三元復(fù)合驅(qū)油等技術(shù)得到推廣應(yīng)用，油田采出液中原油黏度增大，加熱爐的火管表面結(jié)垢嚴(yán)重，如果清垢不及時(shí)，容易導(dǎo)致燒損事故[2-4]。

某油田采油廠的四合一加熱爐原來(lái)一般2 a清垢一次。2014年2月，三元復(fù)合驅(qū)推廣區(qū)塊的一臺(tái)加熱爐在清垢后運(yùn)行一年半時(shí)，火管發(fā)生了燒損泄漏事故。為了查明加熱爐火管燒損失效原因，針對(duì)火管上部的垢層以及火管燒損部位金屬進(jìn)行了檢測(cè)分析，并在同類加熱爐的火管上部焊接加裝了熱電偶監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，以便查明垢層下的金屬超溫情況。

1 火管表面的垢層檢測(cè)分析

打開(kāi)四合一加熱爐檢查火管表面的結(jié)垢情況，見(jiàn)圖1?；鸸苌媳砻娼Y(jié)垢嚴(yán)重，正上部的垢層最厚，火管兩側(cè)和下部結(jié)垢輕微，火管上部結(jié)垢分布情況見(jiàn)圖2。用機(jī)械工具取下各部分垢層樣品，見(jiàn)圖3。通過(guò)測(cè)量垢層厚度發(fā)現(xiàn)，在火管前部越過(guò)內(nèi)壁耐火層的部位垢層最厚，最厚處達(dá)到了42 mm，該處也是火焰加熱管壁金屬溫度最高的部位。

由圖3垢層形貌可以看出，垢層為淺灰色，比較致密，孔隙較少，垢層與火管金屬結(jié)合強(qiáng)度較高，不容易被清除掉。從垢層上取小塊試樣，用乙醚和丙酮除油處理后烘干，利用牛津INCA-350型能譜儀檢測(cè)垢樣的化學(xué)成分。從垢樣成分譜圖檢測(cè)結(jié)果可以看出，垢樣的化學(xué)成分中主要為O，S，F(xiàn)e，Ca，Mg，C，Al和S元素，由此判斷垢樣的化合物組成為泥沙、硅酸鹽、碳酸鹽和鐵銹等混合物質(zhì)。

圖1 爐內(nèi)火管上部結(jié)垢形貌

推斷四合一火管表面結(jié)垢過(guò)程為：油井來(lái)的采出液含有一定量的泥沙、鐵銹和鹽垢，進(jìn)入加熱爐后流速突降，泥沙、鐵銹和鹽垢連同稠油顆粒沉降到火管表面，形成軟垢；在火管表面較高溫度加熱作用下，稠油顆粒逐漸稀釋溶解，溶液中新形成的垢質(zhì)顆粒填充垢層孔隙，經(jīng)過(guò)逐漸積累過(guò)程，形成比較致密的硬垢。由這些物質(zhì)組成的垢層類似于隔熱層，阻斷了火管金屬與油水介質(zhì)之間的傳熱，勢(shì)必造成火管金屬的過(guò)熱和損傷。

圖2 火管上部結(jié)垢分布示意

2 火管金屬微觀組織檢測(cè)分析

將火管表面的垢層清除干凈后，顯示出火管金屬破損情況，見(jiàn)圖4?；鸸芙饘俚臒龘p泄漏在火管上表面距離內(nèi)壁耐火層約12 cm的位置，破損處金屬向內(nèi)凹陷，壁厚嚴(yán)重減薄，說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的超溫運(yùn)行，金屬發(fā)生了蠕變鼓包，最終導(dǎo)致火管破裂泄漏。

圖4 爐內(nèi)火管的燒損泄漏形貌

在火管燒損部位截取小試樣，在火管側(cè)面部位也截取小試樣，試樣經(jīng)過(guò)細(xì)磨、研磨和拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，利用日立S-3400N型掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相組織分析。

火管材質(zhì)為Q245R(舊牌號(hào)為20R/20G)碳素結(jié)構(gòu)鋼，熱處理狀態(tài)為正火，其金相組織應(yīng)該為珠光體加鐵素體,見(jiàn)圖5。由圖5可知，火管燒損金屬的金相組織雖然是珠光體加鐵素體，但是其中的珠光體已經(jīng)不是正常的片層結(jié)構(gòu)，而是發(fā)生了球化現(xiàn)象，其中的滲碳體轉(zhuǎn)化成顆粒狀。按照DL/T 674—1999《火電廠用20號(hào)鋼珠光體球化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，火管燒損部位金相組織的珠光體球化等級(jí)達(dá)到4級(jí)(中度球化)?；鸸軅?cè)面金屬的金相組織中，珠光體未發(fā)生球化，依然是正常的片層結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6。

圖5 火管燒損金屬的微觀組織 1 000×

圖6 火管側(cè)面金屬的微觀組織 1 000×

該加熱爐已使用了8 a，累計(jì)運(yùn)行超過(guò)50 000 h。由火管金相組織分析可知，由于火管上部的垢層隔熱效應(yīng)，導(dǎo)致火管上部金屬局部溫度偏高，產(chǎn)生過(guò)熱和球化損傷。火管金屬組織球化損傷，致使火管承載能力下降，在爐內(nèi)壓力長(zhǎng)期作用下蠕變鼓包變薄，最終造成破損泄漏。

3 火管金屬溫度監(jiān)測(cè)分析

為了查明加熱爐火管結(jié)垢導(dǎo)致的超溫情況，選取同一個(gè)站內(nèi)的另一臺(tái)同類型四合一加熱爐(較新，使用周期3 a)，清除干凈火管表面的垢層，在火管上部管壁金屬最熱處(與失效泄漏火管相同部位)焊接加裝了熱電偶監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)接近2 a的火管溫度監(jiān)測(cè)，查明了加熱爐使用的結(jié)垢周期與火管上部超溫程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖7。

圖7 結(jié)垢周期與火管超溫程度的對(duì)應(yīng)趨勢(shì)

由圖7可以看出，加熱爐清完垢以后，隨著使用周期的延長(zhǎng)，火管上部管壁金屬溫度逐漸升高，這說(shuō)明火管上部結(jié)垢逐漸增厚。在第一年的使用周期里，后半年火管金屬溫度升高較快，火管上部結(jié)垢速度也較快，但是金屬溫度未超過(guò)400 ℃。在第二年的使用周期里，雖然火管金屬溫度升高較慢，火管上部結(jié)垢速度也較慢，但是金屬溫度都超過(guò)了400 ℃。

火管材質(zhì)為Q245R，根據(jù)壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，Q245R推薦使用溫度為-20～430 ℃，而火管金屬溫度在第二年的大部分使用周期里都超過(guò)了430 ℃。由此可以看出，在結(jié)垢嚴(yán)重的三元復(fù)合驅(qū)推廣區(qū)塊，四合一加熱爐原來(lái)2 a一次的清垢周期已經(jīng)不合理了，考慮到季節(jié)因素以及加熱爐熱負(fù)荷變化情況，加熱爐應(yīng)該改為1 a左右清垢一次。

4 結(jié)論與措施

(1)加熱爐的火管泄漏是由于上部長(zhǎng)期超溫導(dǎo)致蠕變，最終鼓包破損造成的；

(2)火管上部長(zhǎng)期超溫致使金屬微觀組織產(chǎn)生珠光體球化損傷，導(dǎo)致承載能力下降；

(3)火管上部結(jié)垢嚴(yán)重，特別是清垢周期的第二年，垢層較厚，導(dǎo)致火管金屬超溫嚴(yán)重;

(4)對(duì)全廠的加熱爐火管進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)組織損傷檢測(cè)與評(píng)估，排查出組織損傷嚴(yán)重的應(yīng)更換火管；

(5)新建和更換的火管材質(zhì)用15CrMoR耐熱合金鋼代替Q245R碳素鋼，提高火管耐高溫強(qiáng)度；

(6)加熱爐的清垢周期由原來(lái)的2 a改為1 a左右清垢一次，以避免火管上部結(jié)垢嚴(yán)重。

[1] 張秀梅,王巖,劉育峰.新型火筒式加熱爐的設(shè)計(jì)[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2002,23(2):27-29.

[2] 姜民政,朱君,李金玲,等.三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢分析及防垢劑研制[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2003,20(3):25-27.

[3] 陳濤.油田集輸系統(tǒng)腐蝕結(jié)垢與防治[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2011,28(2):27-29.

[4] 張淑霞，李盼.油田用加熱爐損壞原因分析及改進(jìn)措施[J].油氣田地面工程,2015,34(7):78-80.

(編輯 寇岱清)

Overheating and Failure Analysis on the Fire Tube of Heating Furnace after Scaling

MengFanqi,MengQingwu,YaoYilan,RenLiming,ZhangXiaoxue

(CollegeofMechanicalScience&Engineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

In order to find out the causes of a burning leakage accident of fire tube in oil heating furnace, fouling and microstructure of the fire tube were analyzed and metal temperature under the fouling of the same kind fire tube was detected. The results showed that fouling on the surface of fire tube led to metal overheating and damage of spheroidizing microstructure, which caused the decrease in the bearing capacity of fire tube. Under the pressure of furnace for a long time, the fire tube crept, swelled and became thinning, which resulted in the damage and leakage. Several measures were put forward to avoid the occurrence of similar accidents, such as detecting and evaluating the microstructure damage, replacing with the heat resistant steel and shortening the cleaning period.

Heating furnace, fire tube, scaling, failure analysis

2016-10-28；修改稿收到日期：2017-03-10。

孟凡琦(1997-)，現(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事石油機(jī)械領(lǐng)域的研究工作。E-mail：qingwumeng523@163.com

孟慶武(1968-)，博士，教授。E-mail：qingwumeng523@163.com

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練重點(diǎn)項(xiàng)目(201610220006); 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAH28F03)。