加熱爐火管燒損原因技術(shù)探討

牛洪凱(大慶油田第八采油廠規(guī)劃設(shè)計研究所，黑龍江大慶163514)

0 引言

加熱爐是將燃料內(nèi)蘊藏的熱量，經(jīng)過燃燒釋放，把被加熱介質(zhì)加熱到能滿足油田生產(chǎn)需要的一種耗能設(shè)備[1]。全廠在用加熱爐共228 臺，火管燒損是合一裝置、火筒爐及水套爐使用過程中常見的問題，尤其以合一裝置最為嚴(yán)重。2007年至今，全廠加熱爐煙火管大修及更換共27 臺，表現(xiàn)形式通常為火管近火焰處的鼓包變形、甚至穿孔，給加熱爐安全運行帶來極大的隱患。目前我廠火管燒損情況數(shù)量相對較多，并呈上升趨勢。選取某轉(zhuǎn)油站2#四合一火管燒損事故進行分析，確定加熱爐火管燒損的原因。

1 火管燒損原因技術(shù)分析

1.1 煙氣冷熱分層

加熱爐在工作過程中熱煙氣分布在火筒的上半部分，冷煙氣分布在火筒的下半部分，煙氣在向外漂浮排除的過程中，造成火管過了耐火磚處存在一個溫度場最高點，從而使火管表面受熱熱度不均勻易鼓包變形，火管的熱場中越靠上部分，溫度越高。

1.2 介質(zhì)冷熱分層

由于火筒外介質(zhì)流向是從加熱爐的底部進入，加熱爐內(nèi)介質(zhì)冷熱分層，上部介質(zhì)溫度最高，下部介質(zhì)溫度最低，造成火管外壁表面溫度不均勻易變形。

1.3 加熱介質(zhì)受熱不均

加熱爐的火管與煙管之間的最短距離為15-20CM（3 點），兩只火管之間的中心距離為20cm（2點），火管距離加熱爐外部殼體最短距離為30～32cm（1點），因此在加熱爐火管與煙管之間的介質(zhì)要受到兩部分的溫度場加熱，2只火管之間的介質(zhì)也是要受到2 個火管的溫度場加熱，但其溫度低于上半部的介質(zhì)，而加熱爐火筒最低處與殼體之間的換熱只有火筒一側(cè)的溫度場換熱，因此介質(zhì)在加熱爐內(nèi)的溫度場也是上部高下部低。

1.4 鋼板發(fā)生蠕變

加熱爐提火和降火時造成耐火磚內(nèi)部隔熱或蓄熱,鋼板溫度差較大，當(dāng)提火時耐火磚內(nèi)鋼板還沒有溫度，其前端20～30cm 及其以外的鋼板已經(jīng)存在較高的溫度了，隨著溫度的穩(wěn)定運行，耐火磚內(nèi)外鋼板的溫度達到一致，當(dāng)降火時，耐火磚內(nèi)的鋼板溫度還沒有下降時，其前端20～30cm 及其以外的鋼板已經(jīng)大幅度的降溫，這樣就造成了耐火磚前端上部最高點20～30cm處的鋼板發(fā)生蠕變，鋼板長期在冷熱溫度變化劇烈的狀態(tài)下運行失去熱應(yīng)力，加之加熱爐內(nèi)存在一定壓力及介質(zhì)的重力、鋼板的重力均為向下，所以造成了火筒鋼板“鼓包”方向向下。有時因鋼板的蠕變分布不均還造成其他位置的鼓包，但大多數(shù)會出現(xiàn)在上午10點鐘到下午2點鐘之間，而個別火筒下部鼓包是由結(jié)於結(jié)垢嚴(yán)重造成的。

1.5 加熱介質(zhì)較差

由于我廠采出液中鈣、鎂鹽類離子含量較高，在加熱爐的受熱面上，在高熱負荷的作用下相互發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就形成復(fù)雜的硅酸鹽垢。與鋼材相比，水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小。

碳酸鹽垢的導(dǎo)熱系數(shù)只有鋼材的1/10～1/100，相當(dāng)于在煙、火管外增加一層保溫層，結(jié)垢造成管材的局部過熱產(chǎn)生的二次應(yīng)力使?fàn)t管鼓包變形，某F站2#四合一火管結(jié)垢最厚處達到4mm；結(jié)垢不均勻產(chǎn)生的供氧濃差電池造成垢下腐蝕，從而進一步加大爐管穿孔的風(fēng)險。

1.6 焊道影響溫度場

在對加熱爐緊急實施維修時，對爐管損壞部位所采用的維修方法是進行“挖補”,在火管上打了一個“補丁”，而這個補丁的邊緣與原火管上鋼板所連接的焊縫是由人工利用焊條進行焊接的，人為因素會造成焊縫的薄厚質(zhì)量不同，也就會造成新舊鋼板的溫度場不同,“試壓”與“探傷”只是短期測試行為，個別修好后的加熱爐在運行一段時間后,還會再次出現(xiàn)鼓包損壞或是焊縫再次裂開，這是由于焊縫質(zhì)量差造成的。

1.7 高負荷運行

某F 站外產(chǎn)能新投油井逐年增加，2014 年新投油井30 口，處理量增加330 m3/d，為保證新投產(chǎn)油井正常運行，將站內(nèi)摻水溫度由去年同期的65℃提高至74℃，造成某F 站四合一負荷加重。

1.8 燃燒器法蘭變形

某F站2#四合一2012年更換燃燒器，固定燃燒器的法蘭未更換。由于燃燒的伴生氣含水較大，存在爆燃現(xiàn)象，造成燃燒器經(jīng)常打槍（回火）。高溫回火使法蘭變形，造成燃燒器偏心，風(fēng)機吹落耐火磚、吹倒擋火墻，火焰直接舔舐火筒內(nèi)壁，形成鼓包。

1.9 細煙管無法清淤

某F站2#四合一為微正壓加熱爐，該爐型設(shè)計時側(cè)重提高加熱爐的熱效率，在實際運行中由于加熱段細煙管較多，內(nèi)部空間狹小，清淤困難，造成火管及煙管外結(jié)淤嚴(yán)重。該四合一連續(xù)2年未清淤，將燒損的火管進行更換時，對四合一爐內(nèi)進行了清淤，現(xiàn)場共清理淤泥約15m3（500多袋），淤泥量大。目前全廠微正壓加熱爐共16臺。

2 火管燒損對策措施

2.1 加裝爐管高溫監(jiān)測裝置

近幾年我廠陸續(xù)在加熱爐爐管上安裝高溫監(jiān)測裝置來預(yù)防因加熱爐局部過熱而產(chǎn)生的安全隱患。該裝置監(jiān)測點為6個，安裝在距耐火磚約300mm爐管管壁，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，超溫報警裝置會自動發(fā)出報警信號，同時設(shè)有超溫自動降負荷控制系統(tǒng)，當(dāng)爐管壁超溫時，通過調(diào)節(jié)閥自動降負荷，保證爐管安全運行。

2.2 調(diào)整耐火磚長度

常規(guī)水驅(qū)加熱爐的耐火磚長度為1.8m，火焰高溫區(qū)為1.5m處，不需要增加耐火磚長度，耐火磚過長會降低傳熱效率。個別轉(zhuǎn)油站為保證站外油井冬季生產(chǎn)，提溫提火加大了燃燒器火焰長度，火焰越過耐火磚直接舔舐火管壁，長期運行導(dǎo)致火管鼓包變形。在滿足加熱負荷的前提下，根據(jù)燃燒器的火焰長度（1.9～2.4m）可增加個別加熱爐耐火磚長度（1.8～2.5m)，避免火焰直接舔舐火筒壁。

2.3 加熱爐安裝燃氣輻射管

針對部分負荷較高，提溫困難無法加長耐火磚長度的加熱爐，可加裝燃氣輻射管。燃氣輻射管是將燃料和燃燒產(chǎn)物向爐內(nèi)的傳熱過程完全封閉在“馬弗管”內(nèi)的一種燃燒裝置，包括燃燒器和馬弗管兩部分，馬弗管一端與燃燒器相連并貫穿爐膛，另一端與煙道相連，燃燒焰流沿馬弗管流向煙道，并通過管壁向爐內(nèi)輻射傳熱[2]。

2.4 取消擋火墻

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，某F 站2#四合一火管內(nèi)擋火墻已倒塌，造成火焰向上偏燒火管壁。設(shè)計院設(shè)計的燃燒器，投產(chǎn)時都配有擋火墻，擋火墻可二次燃燒剩余燃氣，提高燃燒效率。近幾年新更換的燃燒器均可將煙氣的過剩空氣系數(shù)維持在1.05～1.15 范圍之間，保證燃料和空氣充分混合燃燒，擋火墻失去原有作用，可取消。[1]

3 結(jié)語

通過對某F站2#四合一火管燒損原因的分析，結(jié)合我廠加熱爐運行狀況，針對四合一燒損可采取有效措施進行預(yù)防及治理，保障加熱爐安全高效運行。下一步需針對全廠加熱爐做以下工作：

一是對全廠加熱爐檢查燃燒道（耐火磚）有無錯位、脫落、倒塌，檢查耐火泥是否脫落，對投產(chǎn)年限較長的加熱爐耐火磚進行更換，拆除4臺加熱爐的擋火墻。

二是更換老化變形燃燒器封頭法蘭。對全廠加熱爐燃燒器法蘭進行調(diào)查，燃燒器封頭法蘭變形易造成燃燒器偏心燃燒，火焰長期舔舐火筒壁形成鼓包變形，需及時更換。

三是加強加熱爐清淤除垢。定期清除設(shè)備內(nèi)部淤積物，對煙火管外壁進行除垢。

四是加強崗位工人加熱爐培訓(xùn)，使工人會判斷加熱爐燃燒效果，提前發(fā)現(xiàn)隱患。

（1）根據(jù)儀表指示判斷：加熱爐出口溫度應(yīng)在規(guī)定溫度的±5℃范圍內(nèi)。在規(guī)定范圍內(nèi)為正常，發(fā)生溫度超范圍波動則為不正常。

（2）根據(jù)加熱爐火焰判斷：火焰燃燒應(yīng)達到短火焰、齊火苗、火焰明亮、燃燒完全。燒氣時火焰呈淡藍色，煙囪看不見冒煙。凡不符合這些標(biāo)準(zhǔn)時為不正常現(xiàn)象。

（3）根據(jù)加熱爐聲音判斷：加熱爐響聲一直均勻不變，是加熱爐正常運行；當(dāng)響聲突然停止，是加熱爐熄滅，或是停電或燃料中斷等原因造成；當(dāng)響聲無規(guī)則，時高時低，是燃燒器調(diào)節(jié)不當(dāng)，進爐介質(zhì)變化或燃燒量變化等原因造成。