原油直接式加熱爐爐管失效的機理分析

成文峰，李 順

（1.中石化管道儲運公司徐州管道技術(shù)作業(yè)分公司，江蘇徐州221008；2.中石化金陵分公司煉油運行一部，江蘇南京210033）

我國生產(chǎn)的原油絕大部分為“三高”油（即高凝固點、高含水與高粘度），不宜或不可能等溫輸送。采用加熱爐解決這一問題，是最為經(jīng)濟和有效的方法。因此，加熱爐是油田勘探開發(fā)、油氣輸送中的重要設(shè)備之一。

隨著油氣田勘探開發(fā)面積和開發(fā)難度的增大，油田用加熱爐的數(shù)量越來越多，由其引起的安全事故也越來越多。從早期加熱爐使用不當造成的火災(zāi)甚至爆炸事故、加熱爐燒毀，到近年來為提高加熱爐效率引起的爐管腐蝕、預(yù)熱器損壞等事故，已嚴重影響到加熱爐的安全運行。因此，開展加熱爐失效機理分析，意義重大。

1 原油直接式加熱爐爐管失效機理分析

1.1 原油直接式加熱爐簡介

圖1 輸油管線加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖

加熱爐由爐體、燃燒器及燃料油系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，被加熱介質(zhì)——原油在爐管內(nèi)部流動。加熱室一般分為輻射室、對流室。圖1為輸油管線加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 爐管失效分析

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)加熱爐管的主要失效形式表現(xiàn)為腐蝕穿孔、氧化腐蝕以及腐蝕減薄，釘頭的存在，加速了積灰、積鹽的速率，灰垢會吸收水分，造成釘頭根部的腐蝕。

（1）加熱爐爐管低溫露點腐蝕的產(chǎn)生機理。燃料油都含有少量的硫，燃燒后全部生成SO2。其中少量的SO2由于O2的存在進一步氧化成SO3。通常約有1%～3%的SO2轉(zhuǎn)化為SO3。在正常操作條件下，SO2氣體不會腐蝕金屬，當煙氣溫度在400℃以下時，SO3與煙氣中的水蒸氣化合成硫酸蒸氣，此凝結(jié)成硫酸的溫度為煙氣露點。當對流管壁溫度低于露點時，硫酸蒸氣就凝結(jié)在管壁上產(chǎn)生低溫露點腐蝕。同時冷凝的硫酸液體還會粘附煙氣中的灰塵，形成不易清除的積垢，使煙氣通道不暢，甚至堵塞。

一般輻射室內(nèi)由于煙氣溫度比較高，通常都遠高于400℃，因此不可能發(fā)生露點腐蝕，實際現(xiàn)場調(diào)研中，輻射室爐膛內(nèi)的爐管均未發(fā)現(xiàn)存在露點腐蝕的現(xiàn)象，但在溫度較低的輻射室彎頭箱，發(fā)現(xiàn)爐管腐蝕的跡象。對流室內(nèi)煙氣溫度會逐步降低，一般排煙溫度控制在180～200℃，而此時爐管金屬壁溫一般在70～100℃，當金屬壁溫低于露點溫度時，就有可能產(chǎn)生低溫露點腐蝕。

對流室彎頭箱由于結(jié)構(gòu)的影響，煙氣會滲漏到彎頭箱，此時煙氣溫度降低比較多，會在彎頭冷凝，腐蝕彎頭。還有在設(shè)備停爐時，隨爐管壁溫的降低，存在發(fā)生露點腐蝕的可能。

（2）高溫硫腐蝕的產(chǎn)生機理。加熱爐在正常的操作條件下，由于爐管壁溫不高，不會發(fā)生高溫硫腐蝕。但在一定的條件下，如管內(nèi)油品不能正常流動或斷流、爐管干燒、管內(nèi)結(jié)焦等，高溫硫腐蝕的發(fā)生幾率還是存在的。

高溫環(huán)境中硫的存在形式不同，硫腐蝕的類型也呈多樣性，可大致分為：高溫硫化，高溫混合氣氛下的硫化-氧化和硫酸鹽沉淀所導(dǎo)致的熱腐蝕。

2 加熱爐爐管實例檢測及分析

以洪荊線高陽站3臺加熱爐為例。該站有3臺加熱爐用于加熱管屬原油，原使用輸送的原油為燃料。因腐蝕嚴重，對2#、3#加熱爐進行了檢修。檢驗人員現(xiàn)場提取了腐蝕嚴重的對流室釘頭管（如圖2）。由于2#、3#加熱爐互為備用，因此2#、3#加熱爐時常處于停用狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場檢查的結(jié)果，輻射室的集灰較多，加熱爐管腐蝕較嚴重，爐管釘頭部位產(chǎn)物堆積等現(xiàn)象，檢驗樣品除圖2所示管件外，還在現(xiàn)場取輻射室積灰、釘頭管和空氣預(yù)冷器腐蝕產(chǎn)物同時進行檢驗，結(jié)果如下。

圖2 檢驗樣品

2.1 宏觀檢查

檢驗樣品為一截帶有釘頭的直管、彎頭及其對接焊縫管件，管外壁存在氧化腐蝕特征，表面外層是松散的黑色產(chǎn)物，緊貼管壁的產(chǎn)物呈鐵褐色、棕褐色、黃色（見圖2所示）。

管子主體呈均勻減薄的特征，釘頭根部附著較多的產(chǎn)物，產(chǎn)物松散易清理，清理后可見釘頭與直管焊接的根部材料缺失，釘頭直徑改變，呈不均勻減薄的特點（見圖3）。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，低溫段，特別是空氣預(yù)熱器腐蝕最為嚴重，煙囪頂部防雨帽腐蝕穿孔。

圖3 釘頭管腐蝕特征

現(xiàn)場查看了正在運行的1＃加熱爐的排煙溫度，在3天的運行中，其排煙溫度一般在100℃以下，煙氣呈白色。

3.2 化學(xué)分析

在管彎頭、直管部位上取樣，進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。分析結(jié)果表明彎頭和直管材料為20鋼，化學(xué)成分及含量符合材料標準。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（mass%）

2.3 金相組織

在送檢管彎頭、直管、對接焊縫和釘頭部位分別取樣，進行金相組織檢查分析，彎頭、直管和頂頭組織為正火狀態(tài)，金相組織未見異常。

2.4 腐蝕微觀特征

在電子顯微鏡下分別觀察直管和釘頭的腐蝕的微觀特征，清洗后直管表面無金屬光澤呈均勻的腐蝕坑，圖4-1～4-3為腐蝕產(chǎn)物和因腐蝕而顯現(xiàn)的基體金屬晶粒晶界；頂頭部位基體缺損較大，清洗后的表面無金屬光澤呈大小不等的的腐蝕坑，圖4-4～4-6為腐蝕產(chǎn)物和因腐蝕而顯現(xiàn)的基體金屬晶粒晶界。

圖4 腐蝕微觀形貌

2.5 腐蝕產(chǎn)物分析

對釘頭管腐蝕產(chǎn)物、輻射室積灰、空氣預(yù)冷器腐蝕產(chǎn)物進行X-ray分析成分分析和X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析。X-ray分析成分分析檢驗結(jié)果見表2，X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果見表3。

表2 腐蝕產(chǎn)物X-ray分析成分分析結(jié)果（%）

表3 腐蝕產(chǎn)物X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

腐蝕產(chǎn)物X-ray分析成分分析結(jié)果表明中含有大量的 O、Si、S、Ca、Fe和 Al、Cl、K、Mn 等化學(xué)元素。其中S含量較高，釘頭管17.89 mass%～15.59 mass%，輻射室積灰35.47 mass%，空氣預(yù)冷器24.79 mass%。輻射室積灰和空氣預(yù)冷器中的Ca含量較高分別為15.70 mass%和6.22 mass%。

腐蝕產(chǎn)物X-ray衍射結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要為三價鐵氧化物、氫氧化物和硫酸鹽類物質(zhì)等。

3 結(jié)束語

（1）加熱爐爐管失效，主要是管外壁氧化腐蝕造成的。直管和彎頭部位是均勻腐蝕，釘頭根部呈不均勻減薄的特點，腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物、硫酸鹽類物質(zhì)。

（2）低溫段釘頭管和空氣預(yù)熱器腐蝕嚴重，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫酸鹽，說明燃料中含硫量高，存在露點腐蝕。

（3）Fe3＋有強烈的水解作用，該水解作用使介質(zhì)的pH值進一步下降，加速腐蝕進程。這也是腐蝕產(chǎn)物中含有堿式硫酸鹽和堿式氧化物的原因。

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