降低油田加熱爐煙火管燒損概率的建議

王志國（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

引言

近年來，油田廣泛使用的加熱爐在運行一段時間以后，由于加熱爐加熱段與緩沖段之間有隔板的原因，在熱水對流作用下，介質(zhì)中的泥砂在煙火管外表面大量沉積，導致煙火管外表面結垢或結焦；一方面使加熱爐熱效率降低，另一方面使煙火管鼓包，甚至燒穿，給加熱爐的安全運行帶來了極大的隱患。尤其是油田注聚、注三元以后，采出液的黏度增加，更加快了煙火管的結焦進程和煙火管的破損速度。

目前油田加熱爐燒損數(shù)量相對較多。通過對損壞的57臺加熱爐損壞部位分析，加熱爐火管鼓包數(shù)量28臺，占總數(shù)的49.1%；火管穿孔數(shù)量12臺，占總數(shù)的21%；焊口開裂數(shù)量21臺，占總數(shù)的37%。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看出，加熱爐易損壞部位主要是火管，火管鼓包嚴重的情況就是穿孔，其次是加熱爐內(nèi)部煙火管的焊口部位易損壞。

加熱爐火管內(nèi)部是有明火出現(xiàn)的位置，當出現(xiàn)損壞情況，明火就會在爐膛內(nèi)到處散發(fā)。油田加熱爐處理介質(zhì)多為含水原油、含油污水，屬于甲B類液體，閃點小于28℃，當遇到明火就會燃燒；當揮發(fā)蒸汽濃度達到爆炸極限，爐體就會發(fā)生爆炸。如果加熱爐損壞發(fā)現(xiàn)不及時，造成煙火管穿孔現(xiàn)象，可能會發(fā)生著火、爆炸及傷人等重大事故。

為避免上述情況的發(fā)生，就需要了解加熱爐煙火管損壞的原因，尋找防治的方法，降低該設備的損壞概率及生產(chǎn)損失。

1 加熱爐燒損原因

1.1 金屬表面結垢

從燒損情況比較容易發(fā)生的設備位置看，煙火管表面結垢[1]嚴重。油田采出液本身礦化度較高，內(nèi)部含有大量的Ca2+、Mg2+、SO42-、CO32-等成垢性離子[2]，也含有大量的原油、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等成垢的黏合劑。采出液黏度增加，明顯加大含油污水中泥沙量。采出液被加熱后，具有過飽和度的CaCO3、MgCO3、CaSO4等鹽類會形成晶體析出，沉積于加熱爐內(nèi)表面，形成污垢。如果加熱爐煙火管上的污垢累積厚度達到10 mm時，就會明顯降低加熱爐的傳熱效率，增加燃氣消耗，并可能導致火管變形和穿孔。

1.2 爐體結構設計的影響

1.2.1 微正壓加熱爐煙火管連接處焊口易開裂

目前某采油廠共有微正壓加熱爐6l臺，該型加熱爐在設計上側重考慮，通過增加加熱爐的換熱面積提高加熱爐效率，增加了細煙管的數(shù)量，替代原有的粗煙管，有20多根煙管與火管連接。在運行中由于煙火管受力不均勻，在煙火管連接處易出現(xiàn)焊口開裂。另外，微正壓加熱爐煙管數(shù)量多，煙管與火管之間空隙較小，沉積的雜質(zhì)無法徹底清除，容易造成局部過熱，增加了損壞概率。

表1 三元217站火管外壁測試溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計

1.2.2 真空加熱爐出口溫度偏低

目前某采油廠共有真空加熱爐40臺，該型加熱爐在使用1年后，介質(zhì)加熱溫度達不到設計溫度，具體表現(xiàn)為換熱器部分容易結垢。2006—2008年共有30臺次真空爐均經(jīng)過酸洗，酸洗后溫度能超過70℃，但運行一段時間（一般3個月），出口溫度下降，達不到生產(chǎn)要求，影響油井熱洗。在某轉油站真空爐檢修時，打開換熱器封頭后發(fā)現(xiàn)，通過污水的管程截面已有一半被水垢堵塞。由于真空加熱爐屬于全自動控制加熱爐，器件出現(xiàn)問題只能聯(lián)系廠家進行維修，售后保障不夠及時，對生產(chǎn)有一定影響。

1.3 管理不當

當加熱爐結垢而沒有進行清垢時，在操作過程中為保證加熱介質(zhì)的出口溫度，必須加大燃氣量，這樣就會使火管壁溫度升高，結垢更加嚴重，導致熱量不能及時傳導，形成惡性循環(huán)，從而造成加熱爐煙火管燒損。

圖1 中102轉油站加熱爐爐管泥沙淤積照片

圖2 中601站1#加熱爐爐管塌陷照片

由圖1、圖2可知，加熱爐長時間運行后，火管表面會有大量泥沙淤積，嚴重時火管局部出現(xiàn)塌陷的情況。

2 解決加熱爐燒損問題的技術對策

2.1 安裝防爐管超溫防爆安全監(jiān)測保護裝置

由于加熱爐存在局部高溫區(qū)使煙火管易燒損，因此，有必要掌握加熱爐煙火管的溫度分布狀態(tài)以采取必要的保護措施。2017年，在三元217站（20171218）2#加熱爐火管外壁和聚中209站（20171125）火管外壁試驗安裝防爐管超溫防爆安全監(jiān)測保護裝置[3]，該系統(tǒng)與已建的自動燃燒器進行連接，在監(jiān)測火管壁溫度的同時，系統(tǒng)還具有報警和控制的功能。三元217站2#微正壓加熱爐試驗情況及加熱爐火管外壁安裝測溫點位置見圖3，測試溫度數(shù)據(jù)見表1。

該加熱爐在2017年12月30日16：08之前屬于由烘爐到逐步提溫階段。從試驗數(shù)據(jù)看出，加熱爐火管壁外部各點溫度分布不同，耐火磚內(nèi)外溫差較大，火筒上部耐火磚外300 mm處溫度最高，確實存在局部高溫區(qū)。16：39時第3點達最高溫度，即左側耐火磚外300 mm處（499.7℃），當?shù)?點溫度超過450℃時，裝置報警，操作人員到現(xiàn)場查看火筒有漏水跡象，停爐等候維修。通過風壓測試檢測到該加熱爐漏點位置位于耐火磚外側下面某點處。加熱爐的火管材料屬低合金鋼Q245R，根據(jù)GB 150.2—2011《壓力容器第2部分：材料》所規(guī)定的碳素鋼和低合金鋼鋼板許用應力可看出，加熱爐火管溫度不能超過450℃，否則就不能繼續(xù)使用。在試驗階段，找到火管溫度的最高點，將最高點溫度設定430℃報警，設定445℃停爐，然后檢查爐管結垢情況，若嚴重需要清淤。在采用技術手段監(jiān)測爐管運行情況后，加熱爐火管鼓包、穿孔的現(xiàn)象基本解決了。目前某采油廠應用防爐管超溫防爆安全監(jiān)測保護裝置的加熱爐共2l臺。

圖3 中217站安裝測溫點示意圖

2.2 安裝燃氣輻射管

為了降低加熱爐煙火管局部高溫區(qū)的影響，采用新的防護技術，在聚中410站（20171020）和聚中七站（20171031）安裝了加熱爐輻射管[4]（圖4、圖5）。

圖4 4 m長、4 mm厚的不銹鋼輻射管

2臺大修加熱爐安裝輻射管投產(chǎn)后，相比其他加熱爐，試驗加熱爐溫度提升較快，應用效果較好。測試聚中410站火管壁溫度（測溫點距離火筒端口分別為1.8 m、2.2 m、4.2 m），最高溫度僅為292℃，說明輻射管熱流密度最高值顯著降低。加熱爐爐效已于2017年11月26日由節(jié)能監(jiān)測中心完成測試，聚中410站1#爐為82.26%，聚中七站5#爐為81.41%。目前全廠應用輻射管裝置的加熱爐共20臺。

圖5 安裝輻射管的加熱爐火管

2.3 更換加熱爐

更新加熱爐是將原有加熱爐拆除，將新爐安裝在原爐位置上，再配套安裝工藝管道、電氣及自控等設施。

2.4 大修加熱爐

先停產(chǎn)，清罐、割開單側封頭。根據(jù)加熱爐損壞情況，在達到動火條件后，將爐內(nèi)原有煙火管全部或部分拆除，再將新預制的煙火管安裝進去或對部分損壞的煙火管進行修補。完成后對破壞的防腐保溫層進行修復。

經(jīng)過采取上述技術措施，可以降低加熱爐燒損的數(shù)量，提高加熱爐的熱效率，降低維修費用。

3 結論

1）火管局部采用15CrMoR耐高溫鋼。針對加熱爐火管結垢過厚導致局部散熱不暢，引起鋼材機械性能下降的現(xiàn)象，從火筒本身入手，設計在加熱爐新建和改造項目中，局部使用抗高溫性能較好的鋼材（15CrMoR）[5]，應用效果需要跟蹤。目前共有56臺加熱爐應用了該材質(zhì)。

2）改進加熱爐設計不合理的爐體結構。對于微正壓加熱爐，已經(jīng)對煙火管的連接方式進行了技術改造，取消煙管彎頭結構，增加了內(nèi)煙箱，解決了因結垢嚴重致使金屬壁溫升高、煙管彎頭產(chǎn)生熱裂紋的問題，在一定程度上延長了加熱爐的使用壽命。將微正壓加熱爐的煙管由?89改為?219，煙管間的間隙盡可能大（圖6）；同時試驗應用膨脹節(jié)技術，在靠近煙囪煙箱處，每根煙管上依次錯開增設金屬波紋管膨脹節(jié)，減少因煙管與火管軸向膨脹量不同而產(chǎn)生的煙管對火管管箱的作用力等。需要對已經(jīng)改進的加熱爐的應用效果進行跟蹤。

圖6 1.0 MW加熱爐煙火管改造前后布置對比

3）對于真空加熱爐[6]，已經(jīng)與廠家達成協(xié)議，制定出每臺有問題的真空加熱爐的詳細改造方案；考慮到加熱設備改造及使用的安全性，改造工程量較大時均要求有正規(guī)設計，由油田管理部和規(guī)劃設計所共同負責，徹底解決真空加熱爐的問題。

4）結合常溫和降溫集輸工作，降低摻水溫度和摻水量，減少加熱爐運行臺數(shù)，降低加熱爐運行負荷，杜絕高溫和高負荷運行對加熱爐造成損害。

5）加強加熱爐清污的質(zhì)量監(jiān)督，保證加熱爐內(nèi)泥砂和煙火管的附著物清除干凈，提高傳熱效率。

6）原來，某采油廠每年需要修理的加熱爐25臺，更換1臺加熱爐煙火管需要40萬元，年修理費用多達1000萬元，還不能徹底解決加熱爐燒損概率高的問題。經(jīng)過采取一系列的技術和管理措施后，某采油廠加熱爐使用壽命逐步延長，大修加熱爐的數(shù)量每年逐步降低，年減少維修數(shù)量15臺；以單臺加熱爐維修費用40萬元計，年節(jié)約維修費用約600萬元。