熱介質鍋爐盤管失效原因分析

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(中海石油(中國)有限公司曹妃甸作業公司,天津 300451)

導熱油爐又稱熱介質鍋爐，是以導熱油作為傳熱解介質的熱源，導熱油(有機熱載體)作為一種優良的傳熱介質，具有高溫低壓的傳熱特點，且熱效率高、傳熱均勻、溫度控制準確，又有明顯的節能效果，因此，廣泛應用于石油化工、化纖、紡織印染、塑料、建材、供熱等領域[1-3]。

曹妃甸油田FPSO采用的是德國Bay公司的3XHG 12 000型鍋爐和德國SAACKE 公司SKV-150型燃燒器。該燃燒器可以分別使用原油、輕質油、天然氣，以及燃油加天然氣4種模式運行，以下是一些基本參數。

設備名稱：Thermal Oil Heater;

鍋爐廠家：BAY;

燃燒器廠家：SAACKE;

鍋爐型號：3XHG 12 000;

鍋爐系列號：23 293 & 23 294 & 23 295;

最大試驗壓力：1.5 MPa;

最大使用溫度：220 ℃;

燃燒器型號：SKV-150;

設計最大輸出功率：HG 12 000 kW;

設計最大耗油量:輕質油1 180 kg；原油1 100 kg;

設計最大天然氣流量： 1 510 m3/h;

目前使用的熱介質油牌號：NEOSK-OIL 500(遼河盤錦宗研化學有限公司);

熱介質油流量：370 m3/h;

燃料模式：原油、輕質油、天然氣、燃油+天然氣模式。

由于曹妃甸油田 FPSO承擔著油田的全部原油處理任務，并直接將處理合格的原油進行外輸，熱介質鍋爐運行狀況的好壞與海上的石油生產作業密切相關。

2013年5月27號晚，曹妃甸油田FPSO的3#熱介質鍋爐發生了盤管破裂，其直接原因為盤管材質發生球化，引起強度和蠕變抗力損失，局部過熱造成蠕變抗力損失達到一定程度時，盤管發生起鼓減薄，最終在介質油壓力作用下爆裂失效。

1 火焰偏燒及燃燒狀態差

正常熱介質鍋爐的燃燒狀態及火焰狀態見圖1。

圖1 1#熱介質鍋爐局部過燒現象

如果熱介質鍋爐出現火焰偏心燃燒，導致熱介質鍋爐盤管局部受熱高于盤管其他位置，長時間的局部高溫會加劇熱介質鍋爐盤管材質的劣化，圖2和圖3為對曹妃甸油田FPSO熱介質鍋爐1#爐和2#爐內部檢查發現都存在火焰偏心燃燒的現象。

圖2 1#爐局部過燒現象

圖3 2#爐局部過燒現象

此外，2#熱介質鍋爐后背板還出現了局部高溫，其原因為看火孔和防火墻之間出現收縮縫，高溫煙氣通過膨脹縫吹到后背板；火焰不穩定，火焰形狀不規則；排煙溫度偏高，測量數據如下。

1)運行溫度190 ℃時：后背板溫度最高處為距看火孔20 cm左右，10點鐘位置，溫度為102 ℃左右，看火孔溫度為 100 ℃左右。

2)運行溫度183 ℃時：后背板溫度最高處為距看火孔20 cm左右，10點鐘位置，溫度為70 ℃左右，看火孔溫度為 90 ℃左右。

1#熱介質鍋爐后背板溫測量數據如下。運行溫度190 ℃時：后背板溫度最高為50 ℃左右，看火孔溫度為35 ℃左右。其危害為：后背板溫度高，容易造成人員燙傷，過高后(200 ℃以上)會造成后背板變形；熱量損失。

經過安全檢測技術人員對1#和2#熱介質鍋爐的燃燒器進行了維修，對火焰進行了調整，消除了兩臺熱介質鍋爐火焰偏燒和燃燒狀態不佳的現象，同時對2#熱介質鍋爐進行了負荷試驗，并實測了后背板溫度，如下。2#熱介質鍋爐出口設定溫度為180 ℃時，看火孔最高溫度56 ℃，在出口設定溫度為190 ℃時，看火孔最高溫度61 ℃，測試結果是可以接受的。

2 超負荷運轉

熱介質鍋爐在使用過程中如果存在超負荷運行，會導致熱介質鍋爐盤管溫度過高，造成盤管過早劣化，曹妃甸油田FPSO熱介質鍋爐歷史運行最高回油溫度為150 ℃，最高出油溫度為200 ℃，而熱介質鍋爐的設計運行進口溫度為160 ℃，設計運行出口溫度為220 ℃,熱介質油溫度上不存在使用過程中的超負荷運行情況。

但在熱介質鍋爐早期使用的過程中，由于對流程溫度的設定不合理，經常出現鍋爐100%的負載出現，長時間的100%大負載燃燒會對熱介質鍋爐造成損壞，尤其靠近熱介質鍋爐前墻端的盤管極易發生過熱的狀態，為此，將熱介質鍋爐的負載進行調整，其燃燒最大負載設定為75%，以達到對熱介質鍋爐及盤管的保護作用。

3 流量低

如果熱介質鍋爐的熱介質流量低于標準流量，會無法將熱介質鍋爐盤管上熱量盡快帶走，會導致熱介質鍋爐盤管過熱的情況發生而加速盤管的老化。

因為3#熱介質鍋爐故障無法測量熱介質油流速，檢驗人員通過對1#和2#兩臺熱介質鍋爐流速測量，發現1#和2#兩臺熱介質鍋爐熱介質流速都低于廠家給予的額定流量值(370 m3/h)。1#熱介質鍋爐測量值是325 m3/h，2#熱介質鍋爐測量值是347 m3/h，由此可推測故障的3#熱介質鍋爐也存在熱介質油流速偏低的情況。但是，按照曹妃甸油田FPSO熱介質鍋爐的設計標準，熱介質油的最小流速不應該低于2 m/s。熱介質鍋爐的爐管是DN150的，外徑是168 mm，壁厚為5.5 mm，內徑為157 mm，爐管是雙進雙出，這樣熱介質油的最小流量為vmin×S×3 600=2×(3.14×0.078 5×0.078 5×2)×3 600=278 m3/h，從計算結果看，曹妃甸油田FPSO熱介質鍋爐的熱介質油流量雖然低于額定流量，但還是在正常范圍內。

為了更好發揮熱介質鍋爐的效率，2013年10月對曹妃甸油田FPSO 1#和2#兩臺熱介質鍋爐進行了盤管清洗作業，清除盤管內部污垢和結焦。從清洗后的熱介質鍋爐出口差壓流量計的觀察，發現流量都有不同的升高，清洗效果明顯。

4 導熱油含水超標

由于水汽和熱介質油的密度和粘度存在差別，流動速度也不同，如果熱介質油含水量過高,在熱介質鍋爐系統運轉時水分和熱介質油同時循環到熱介質鍋爐內部的盤管，水分在爐膛內部高溫作用下成為汽態致使熱介質鍋爐盤管內部形成段塞流，段塞流不能把熱介質鍋爐盤管的高溫有效地冷卻，影響熱量向外傳遞，長時間運行導致熱介質鍋爐盤管水汽聚集處管壁高溫，以及高于正常的膜溫造成熱介質油過熱、結焦、劣化。熱介質油含水高會由于以下幾點造成。

4.1 熱介質油膨脹罐采用天然氣密封

2004年7月曹妃甸油田投產初期，熱介質鍋爐系統需要經過一個烘爐脫水的過程，將系統中的水分排出，確保熱介質鍋爐系統中沒有水分。正常運行期間，熱介質膨脹罐中的熱介質油只需要作為系統的一個補充而不必始終參與循環過程。由于廠家工作人員的疏忽和對現場操作人員的培訓不夠，導致投產后長期使用調試排氣模式，熱介質膨脹罐中的熱介質油波動較大，溫度也較高，加上當時的覆蓋氣(天然氣)含水較多，天然氣的處理環節比較簡單，僅僅依靠燃氣洗滌器，只能去除天然氣中的一部分雜質和進行相對簡單的脫水，該環節輸出的天然氣中依然存在著大量的水分，水分與熱油混合進入熱介質鍋爐盤管受熱氣化，熱介質鍋爐經常由于出口熱介質油流量低而關停。

經過摸索和研究，直到2007年11月才將這一調試模式改為正常運行模式并將膨脹罐的覆蓋氣從天然氣更換為氮氣，這一問題才得到解決。

4.2 鍋爐系統補充新油時熱介質油中含水

早期往熱介質鍋爐系統補充新熱介質油的過程中，發生過新熱介質油含水高的情況，水分進入熱介質鍋爐受熱后氣化，導致熱介質鍋爐差壓流量計報警停爐，熱介質鍋爐經過長時間的脫水過程，才將熱介質油含水恢復到正常值。為此，更新了熱介質鍋爐系統補充新熱介質油程序，明確要求，系統補充新熱介質油時，應提前化驗補充新熱介質油的含水，含水值低于200 mg/L時，才允許將新熱介質油補充到系統內，從根本上避免了此類情況的發生。

4.3 盤管清洗后，盤管內水分置換不徹底

曹妃甸油田FPSO在2008年9月對2#熱介質鍋盤管進行了化學清焦處理，又在2009年8月對1#、3#熱介質鍋爐的盤管進行了化學清焦處理，由于清焦后對熱介質鍋爐盤管內水分置換方法考慮欠充分，導致熱介質鍋爐盤管內殘存的水太多，以至于化學清洗結束后熱介質鍋爐上線投入使用，由于熱介質鍋爐內溫度升高，水分在盤管內氣化，導致熱介質鍋爐由于出口差壓流量計報警而停爐頻繁。

熱介質鍋爐盤管化學清洗結束后，置換脫水流程見圖4，當時只是進行簡單的氮氣憋壓吹掃幾次，盤管容積為32 m3很難將盤管內水分全部置換干凈。經過分析研究后，更新了水分置換方法，見圖5。先用部分合格的熱介質油置換熱介質鍋爐內的水分，同時將收油槽內置換出來的水分用氣泵抽走，并化驗置換出來的熱介質油含水量，當含水較低時，再用氮氣憋壓置換熱介質鍋爐內水分超標的熱介質油，而這個方法在2013年10月份對熱介質鍋爐盤管清洗后的實際應用中，效果非常好，熱介質鍋爐清洗上線后，運轉狀態良好。

圖4 早期的盤管置換脫水流程

圖5 更新的盤管置換脫水流程

5 非正常停爐

曹妃甸油田FPSO由于主機故障而停電時，熱介質鍋爐主副循環泵停止運轉，高溫熱介質油停滯在爐管內，熱量無法帶走，這會導致爐管高溫，進而引起結焦，加速熱介質鍋爐盤管老化，以前這種情況經常發生，2009年初處理好主機控制系統之后，這種情況基本上不再發生，除非遇到電滑環故障；由于對熱介質鍋爐系統的主副循環泵的功能了解不深，不知道熱介質鍋爐系統主副循環泵各有一臺是連接到應急盤上的。因此，更新了熱介質鍋爐系統的操作程序，全船失電停爐后，

將掛在應急盤上的小循環泵P-4670A和大循環泵P-4670H啟動，同時則手動把熱介質鍋爐出口三通閥轉到大循環狀態，讓熱介質鍋爐內熱介質油循環起來，將熱介質鍋爐內滯留熱量盡快帶走，防止熱介質鍋爐盤管過熱，結焦。

6 熱介質鍋爐盤管結焦

曹妃甸油田FPSO熱介質鍋爐所使用的導熱油為NeoSK-OIL 500型導熱油，是盤錦遼河綜研化學有限公司生產的有機合成型導熱油，它適用于操作溫度-35～315 ℃范圍內的液相導熱油系統。見表1。

表1 NeoSK-OIL 500合成型導熱油技術特性

導熱油無論是合成型還是礦油型，它們都是有機物，即烷烴類、環烷烴類、芳烴類及其衍生物。它們在熱油爐中，在高溫狀態下長期運行，將發生裂解，各族烴裂解反應規律主要產物是乙烯及丙烯，在較高的溫度下，乙烯經乙炔階段而生成碳，而且，生碳結焦反應有一定的規律，是典型的連串反應，共同特點是隨溫度的提高和反應時間的延長，不斷釋放出氫，殘物(焦油)的含氫量逐漸下降，碳氫比、相對分子質量和重度逐漸增大，即原料烴經過逐步脫氫縮合，單環或環數不多的芳烴，轉變為環芳烴，進而轉變為稠環芳烴，由液體焦油轉變為瀝青質，進而轉變為碳青質，再進一步轉變為高分子焦碳。

總之，原料烴在裂解過程中，實際上發生著分子的分解和分子的結合這兩類反應，生成小分子輕組分產物，使導熱油的初餾點及閃點下降，生成大分子的縮合物，使導熱油的粘度增高，分子中氫含量愈來愈小，直到結焦生碳。

表2為曹妃甸油田FPSO熱介質油歷年取樣化驗值，其中殘炭，酸值，水分都是相應的高于標準值的，殘炭值可以判別導熱油在高溫使用中的結焦傾向性，當超過1%時應該對導熱油進行再生處理，若劣化嚴重超過5%時,則處理后也難以恢復和新熱介質油相似的特性，熱介質油應該報廢。酸值指導熱介質油中各種有機酸的總和，有機酸達到一定量時，會對設備管道產生一定程度的腐蝕作用，KOH值高于0.5 mg/g時，熱介質油達到報廢標準。

表2 曹妃甸熱介質油歷年取樣

導熱油變質的原因分析。

1)過熱產生的結垢(熱分解)。有機導熱油的熱分解是由于導熱油溫度超過其熱分解極限溫度而引起的深度分解或熱介質油變質乳化后，在溫度未到熱介質油的極限溫度即發生的深度分解。例如由于突然停電等原因，過大的熱強度或流動受限制的地方，加熱表面溫度上升，高于熱分解的極限溫度，會產生過熱，在此情況下，裂化熱分解常常導致加熱表面結焦，在被氧化劑和雜質所污染的導熱油中，結焦速度更快，由氧化作用和腐蝕產物形成的游渣常常會降低加熱器中的流速，導致壁溫上升，超過溫度極限，促使系統迅速結垢。

2)系統污染產生結垢(被氧化)。空氣滲入系統會引起導熱油與空氣中的氧發生氧化反應，致使熱介質油系統形成大量的固體污垢，通常空氣的滲入多來自于開口的膨脹罐，導熱油氧化即以一定的速度形成不溶物，形成速度取決于導熱油在空氣中的暴露程度和溫度，腐蝕產物和鐵銹常常是由于氧化作用和從膨脹罐或其他部位進入的水分產生的弱酸形成的，腐蝕產物和被氧化的導熱油不溶物會沉積在換熱器表面，尤其是系統的死角和低部位置。

熱介質油氧化反應與溫度有關，在熱油70 ℃以下時，與空氣接觸，氧化不明顯；而到200 ℃以上時，氧化速度就會以較高的速度進行,曹妃甸油田FPSO熱介質鍋爐是個閉式系統，惟一導致高溫熱介質油與外界氧氣可能接觸的設備就是膨脹罐，因此對于膨脹罐覆蓋氣的選擇和正確使用膨脹罐的流程尤為重要。

對于熱介質鍋爐所發生的熱介質油流速低、火焰偏心燃燒、熱介質鍋爐超負載運行、熱介質油含水高、非正常停爐所導致的盤管過熱的同時，都有可能導致熱介質油深度分解從而在管壁上結焦，一旦熱介質鍋爐盤管管壁形成結焦后，將勢必一直影響熱介質鍋爐盤管的熱傳遞，使得熱介質鍋爐盤管一直處于過熱狀態。

導熱油在爐管中裂解，爐管內壁發生結焦，會導致嚴重影響。

1)爐管表面溫度上升，由于結焦層的導熱系數比鋼管要小得多，有結焦的地方，局部熱阻增大，爐管徑向溫度梯度增大，導致爐管表面出現熱點，影響爐管壽命。

2)爐管的壓力損失增大，結焦現象嚴重甚至堵塞爐管。

3)鋼管表面如果比較粗糙，就易結碳，使鋼管強度變劣，有時會發生爐管開裂事故。

如果有機導熱油在正常溫度下操作，并且不受系統外界物質的污染，則導熱油通常是穩定的。

7 維護和保護措施

1)按照相關規范對熱介質鍋爐進行定期檢驗。

2)熱介質油取樣從一年取樣化驗一次，更改為一個季度取樣化驗一次，并且每個月對熱介質油進行一次化驗含水，如發現熱介質油質劣化或含水高時，及時對熱介質油進行再生或脫水處理。

3)2013年10月對正常使用的1#和2#熱介質鍋爐盤管內部進行清洗，以去除盤管內部結焦，盡量恢復熱介質鍋爐額定流量。

4)為避免出現超負荷運行的情況，控制熱介質鍋爐油出口溫度不能超過195 ℃。

5)對熱介質鍋爐的燃燒器角度進行調整，避免熱介質鍋爐出現火焰偏心燃燒的情況，同時增加了點檢點,每日從熱介質鍋爐尾端視窗檢查爐膛內部燃燒和結構情況，發現異常盡早處理。

6)改造了熱介質鍋爐的CO2自動消防系統,增加CO2瓶頭閥解決管線泄露問題,恢復CO2消防系統的自動釋放功能。

7)制定了失電后熱介質循環泵的啟動程序，

防止熱介質鍋爐盤管過熱或結焦發生。

8)拆除1#和2#熱介質鍋爐底部的冷凝水排放口塞堵，安裝手閥，熱介質鍋爐運轉時關閉，停熱介質鍋爐時打開手閥排放爐體冷凝水。

9)熱介質膨脹罐使用氮氣覆蓋，并正確使用流程，避免熱介質油被氧化。

[1] 徐通模，金定安，溫 龍.鍋爐燃燒設備.[M].西安：西安交通大學出版社，1990.

[2] 俞建洪，席代國，張偉云.導熱油鍋爐及其設計運行中的若干問題[J].能源與環境，1996,04(2)：5-8.

[3] 中國船級社.海上固定平臺入級與建造規范[S].北京：人民交通出版社，1992.