三元復合驅轉油站加熱爐火管開裂原因分析

何樹全

(中國石油天然氣股份有限公司大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712)

隨著我國油田相繼進入三次采油階段，以氫氧化鈉、石油磺酸鈉、聚丙烯酰胺為驅替物的三元復合驅油技術，作為提高原油采收率和增加原油產量的一項重要措施，越來越受到人們的重視［1］。

然而，與傳統水驅相比，這種新型采油技術加劇了對脫水轉油站火筒式加熱爐的破壞［2］。以某站為例，該站于2012 年10 月18 日正式投產運行，2013 年3 月三元液上返后，站內5 臺二合一火筒式加熱爐相繼出現故障，7 個月內共出現9次故障，故障率為每年2.7 次/臺，其中火管開裂失效6 次，占故障率的67%，尤其是2013 年10 月14 日至當年11 月6 日，在不足1 個月時間內，3臺加熱爐火管接連發生開裂泄漏，嚴重影響了正常生產。

在對站內5 臺加熱爐細致調查的基礎上，下面針對開裂失效現象最嚴重的3 號加熱爐火管開展失效分析。通過對加熱爐工藝及設備概況、工藝條件、輸送介質、事故發生過程等要素進行全方位的調查，獲取與加熱爐火管失效的相關信息，為失效原因分析提供必要的線索;通過對材質、腐蝕產物、裂紋及斷口的分析，進一步明確了加熱爐火管開裂失效的原因，并提出了改進措施。

1 現場調查

1.1 加熱爐工藝及設備概況

某廠轉油脫水站站內共有5 臺火筒式加熱爐，于2012 年10 月18 日正式投產運行。加熱爐技術參數見表1。

表1 火筒式加熱爐技術參數Table 1 Technical parameters of fire cartridge heater

加熱爐火管直徑0.8 m，由鋼板卷制焊接而成，全長9.74 m，分前、中、后三段，材質為Q245R和15CrMoR。其中管前段2.30 m 及后段5.64 m，材質為Q245R，壁厚12 mm;中段1.80 m，材質為15CrMoR，壁厚14 mm。火管前段鋪設了耐火磚襯層(見圖1)。

圖1 加熱爐火管內部結構Fig.1 Inner structure of fire tube of fire cartridge heater

每臺加熱爐有2 根火管，設有6 個測溫點，具體位置如圖2 所示。測溫結果表明(見表2)，加熱爐火嘴火焰高溫處主要集中于耐火磚段，而這段又受耐火磚保護，熱量沒有傳遞出去，所有熱量都累積到耐火磚后緣外火管壁傳遞，因此，脫離耐火磚保護的火管中段前端溫度最高。

圖2 加熱爐結構及火管壁測溫點位置示意Fig.2 Inner structure of fire cartridge heater and position of temprature-testing points on the wall of fire tube

表2 火管溫度監測數據(2013-11-19)Table 2 Temperature measuring data of fire tube(2013-11-19)

1.2 加熱爐介質環境調查

加熱爐管程燃料為站內自產濕氣，殼程被加熱介質為強堿三元驅油井采出液。根據采出液單日取樣分析數據(見表3)及長期監測數據(見圖3)，目前油井采出液已見三元介質，pH 值為9.02，并且堿度不斷提高［3］。

表3 油井采出液成分Table 3 Composition analysis on oil well produced water mg/L

1.3 加熱爐失效情況調查

對損壞最嚴重的3 號爐火管，進行了現場調查和取樣。調查發現，火管內壁可見黑色分層脫落物，厚度約為0.1～0.8 cm(見圖4);管壁減薄嚴重，最薄處僅有1 mm 左右;在焊縫附近，火管沿環向開裂(見圖5)。

圖4 內壁黑色分層脫離物Fig.4 Black matter layered from inner wall

就結垢情況向清垢人員進行了調查。火管外壁垢層分為內外兩層，外層為16～17 cm 附著物，較黏軟;內層為1～3 cm 白色垢，質地堅硬，以火管中段測溫點附近最厚(也即中段焊縫附近)，厚度約3 cm?，F場檢查清垢后的火管外表面發現，金屬基體未見明顯腐蝕。

圖5 焊縫附近環向開裂Fig.5 Circumferential cracking around weld

現場調查結果顯示:(1)火管失效部位主要集中在材質為15CrMoR 的中段，其中以焊縫附近尤其嚴重，火管失效表現為壁厚減薄和沿環向開裂;(2)三元液上返后，聚合物裹挾的泥沙等容易在火管外壁粘結淤積，且隨著介質堿度加大，為加速火管外壁結垢提供了條件;(3)失效火管內壁可見黑色分層脫落物，厚度0.1～0.8 cm，是管壁減薄的主要原因;(4)火管外壁從外到里有約16～17 cm 黏軟附著物及1～3 cm 堅硬垢層，嚴重影響了火管傳熱效果，導致火管溫度升高。

2 失效分析

2.1 材質分析

2.1.1 管材材質分析

設計文件顯示，失效火管材質為15CrMoR耐熱鋼。選取遠離缺陷部位的火管材質樣品，采用能譜(EDS)分析，測定了所截取管段的化學成分，并與標準GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》規定的15CrMoR 鋼元素組成進行了對照。結果表明，材料化學成分符合標準要求(見表4)。

表4 15CrMoR 成分測試結果與標準的對比Table 4 Comparative analysis of test result and the standard chemical w，%

通過電子顯微鏡觀察管材的金相組織結構(見圖6)，結果證實，管材金相組織為珠光體+鐵素體(其中黑色為珠光體，白色為鐵素體)，滿足15CrMoR鋼熱處理工藝要求，說明材料加工工藝正常。

圖6 15CrMoR 鋼金相組織(珠光體+鐵素體)Fig.6 Microstructure of 15CrMoR steel(pearlite+ferrite)

2.1.2 焊縫熱影響區材質分析

對失效部位的焊縫熱影響區材質開展了金相組織觀察，發現在同樣放大倍數下(500 倍)，焊縫熱影響區的組織粗大(見圖7)。同時，明顯可見晶界裂紋(見圖8)。

從金相組織觀察來看，由于焊縫熱影響區金相組織粗大，同時存在殘余應力，當火管高溫運行，殘余應力釋放，位錯和缺陷集中的晶界產生開裂，造成火管最先在焊縫附近開裂。

圖7 正常管材晶粒與焊縫熱影響區晶粒比較×500Fig.7 Grain in normal tube compared with in weld heat-affected zone

圖8 焊縫熱影響區晶界開裂情況×2000Fig.8 Grain boundary cracking in weld heat-affected zone

2.2 腐蝕產物分析

通過掃描電鏡(SEM)觀察火管內壁分層脫落物，其外觀形貌呈冰糖狀(見圖9)，EDS 分析顯示，火管內壁腐蝕產物以Fe，O 和C 為主。

2.3 開裂處斷口分析

觀察火管開裂處斷口的微觀形貌發現，腐蝕產物與基體存在明顯分層現象(見圖10)。揭示了高溫氧化由材料表層向縱深發展的過程。同時說明，存在與斷口截面方向相一致的交變應力作用于失效火管上。

2.4 失效原因分析

通過對失效部位材質、腐蝕產物、裂紋及斷口的分析，結合現場調查數據，可以推斷，加熱爐火管開裂失效原因是:火管外壁結垢，造成內壁熱傳遞受阻，產生局部過熱，在高溫氧化條件下，火管材質發生高溫腐蝕，造成管壁減薄;同時，高溫使得組織粗大的焊縫熱影響區產生再熱裂紋，最終導致火管焊縫熱影響區短期內發生開裂失效。

圖9 火管內壁腐蝕產物SEM 形貌Fig.9 SEM morphologies of corrosion product of inner wall of fire tube

圖10 斷口處分層現象微觀形貌Fig.10 SEM micro-morphologies of layer phenomenon

3 討論

綜合分析認為，三元復合驅火筒式加熱爐火管開裂失效受以下幾個方面作用的影響。

3.1 高溫腐蝕的影響

據資料顯示［4］，當15CrMoR 使用溫度大于550 ℃，其熱強性能顯著降低，金相組織將發生珠光體球化、合金元素在固溶體和碳化物間的再分配，并且其熱強性能和力學性能隨著珠光體球化程度和固溶體合金元素貧化程度加大而逐漸降低，以致材質漸趨劣化甚至失效。

所以，當三元液上返后，火管外壁結垢嚴重，造成內壁熱傳遞受阻，溫度升高，在有氧和高溫條件下，15CrMoR 發生了高溫腐蝕。

3.2 焊接工藝的影響

金相分析發現，焊縫熱影響區組織粗大，存在殘余應力。主要是焊接工藝參數不當或者焊接后未采取消應力退火措施。當火管高溫運行時，熱影響區殘余應力釋放，位錯和缺陷集中的晶界開裂，產生再熱裂紋。

4 防護措施

為保證加熱爐安全運行，同時避免后期發生類似情況，基于以上失效原因分析，提出如下改進措施:

(1)改進清垢、清淤措施。針對目前站內聚合物泥沙淤積、堿液成垢情況，建議調整清垢、清淤周期或改進防垢、防淤措施，避免火管外壁大量淤積三元聚合物泥沙及沉積堿垢。

(2)改善焊接工藝。為防止再熱裂紋的產生，應該改善焊接工藝，嚴格控制母材和焊材的合金成分，將合金元素的含量嚴格控制到最低程度;選用高溫塑性優于母材的焊接材料;采取焊前預熱，焊后保溫緩冷措施;采用較小熱輸入的焊接工藝，減小焊接熱影響區寬度，細化金相組織。

［1］王為，郭鶴桐，高建平，等.20#鋼在三元復合驅溶液中的腐蝕行為［J］.中國腐蝕與防護學報，1998，18(3):203-207.

［2］何煥杰，程杰成.國內油田三次采油聚合物驅采出液處理技術研究進展［J］.石油煉制與化工，2002，33(9):29-32.

［3］王玉普，程杰成.三元復合驅過程中的結垢特點和機采方式適應性［J］.大慶石油學院學報，2003，27(2):22-27.

［4］左景伊，左禹.腐蝕數據與選材手冊［M］，北京:化學工業出版社，1995:259-260.