油井加熱用火管爐失效原因分析

楊 波

（遼河油田曙光采油廠，遼寧盤錦 124109）

油井加熱用火管爐失效原因分析

楊 波

（遼河油田曙光采油廠，遼寧盤錦 124109）

油田企業(yè)單井常用的加熱爐現(xiàn)在多數(shù)為火管爐，火管爐失效頻率明顯高于水套爐。從火管爐的加熱及結(jié)構(gòu)進(jìn)行失效形式分析。分析爐管高溫后出現(xiàn)的蠕變、結(jié)焦、滲碳過程，結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境因素分析火管爐采用外翅片結(jié)構(gòu)形式對加熱效率影響。造成加熱爐失效的主要因素為高溫失效，確定高溫的影響因素多數(shù)現(xiàn)在于管理環(huán)節(jié)，加熱溫控可以相應(yīng)延長火管爐的壽命。

加熱爐；高溫；翅片；失效

油田企業(yè)在用的加熱爐主要有兩大類。一類是間接加熱式，俗稱為水套爐，一類為直接加熱，俗稱為火管爐。間接加熱式的加熱爐由于最高溫升通常超不過150℃，同時多為大型加熱設(shè)備，使用中定期檢查與保養(yǎng)工作較全面。而直接加熱式的加熱爐，由于多用于單井及平臺井的加熱，在應(yīng)用環(huán)境與燃燒條件上與間接加熱爐有明顯的區(qū)別。直接加熱爐的損壞率較高，而應(yīng)用效率低下，尤其是在冬季的應(yīng)用中，存在問題較為突出。

1 爐管高溫失效

1.1高溫蠕變

由于單井出液量不均，在加熱過程中，存在加熱溫度過高或過低的現(xiàn)象。當(dāng)油井出液量少或不過液時，火管爐仍處于加熱狀態(tài)，此時火管爐的加熱溫度已超過爐管鋼材的最大熱應(yīng)力，加之爐管內(nèi)有一定的壓力，造成爐管出量在高溫狀態(tài)下的變形。經(jīng)過幾次的變形，達(dá)到爐管的屈服極限，造成爐管破裂。此種現(xiàn)象多出現(xiàn)在油井出液量少，抽油機(jī)井排液不正常情況，該種損壞占火管爐損壞的50%以上，主要是人為因素造成的。

1.2裂解爐管內(nèi)油質(zhì)

1.2.1結(jié)焦

爐管內(nèi)的油質(zhì)及瀝青質(zhì)在高溫加熱后，內(nèi)部的輕質(zhì)成份減少。當(dāng)爐管高溫一定時間后，爐管內(nèi)的油質(zhì)與瀝青質(zhì)會發(fā)生裂解。裂解爐管內(nèi)大多數(shù)烴的反應(yīng)物在高濁下是不穩(wěn)定的，縮聚和過度裂解的最終產(chǎn)物為焦碳并放出碳和氫。焦碳吸附在爐管內(nèi)壁，降低了加熱效率，使得管內(nèi)介質(zhì)得不到加熱，造成熱量積聚，使得結(jié)焦處爐管溫升更高。

1.2.2滲碳

當(dāng)結(jié)焦后，碳質(zhì)轉(zhuǎn)為穩(wěn)定成分。而此時氫成分相對增加。氫對鋼材中的碳具有一定的吸附作用，即氫腐蝕。溫度過高，加速氫對鋼腐蝕，造成爐管中的含碳量減少。這樣鋼材中的碳會滲出，而未滲碳的外壁就會受到接應(yīng)力，造成管外壁產(chǎn)生裂紋和開裂。

1.2.3爐管接頭處熱影響區(qū)

由于爐管加工過程中也不是一個整體。在使用中，接頭處由于高溫影響，熱變形量不同，會造成接頭焊口變形量加大，造成接頭處的熱應(yīng)力相對集中，增加發(fā)生斷裂開焊的機(jī)率。

2 翅片失效

2.1火管爐使用的翅片結(jié)構(gòu)

常用火管爐使用的翅片一種為肋板式，一種為環(huán)片式。應(yīng)用于油井使用的火管爐支片多為肋板式，此類翅片管可以采用鑄造而成，加工過程相對簡單，由于采用鑄造形式，外形較為圓滑，多為平滑過渡。而環(huán)片式由于加工時，需要將環(huán)片加工由管壁外側(cè)，環(huán)片由于外壁較薄，不能承受直接加熱過程中火焰直接加熱的高溫，所以通過不采用。

2.1翅片的應(yīng)力腐蝕開裂

火管爐的爐管為了增加熱效率，在爐管外壁增加了翅片，即所謂的外翅片管。在油井火管爐加熱時，多數(shù)采用的是油井本井回收的自產(chǎn)氣，自產(chǎn)氣含有大量水蒸氣及硫化氫（H2S）等腐蝕性氣體。加熱時，硫化氫燃燒后生成水后二氧化硫（SO2）。同時由于火管爐在使用中煙囪帽不可能密封，會造成雨水等雜物進(jìn)入爐膛，創(chuàng)造了二氧化硫與水生成亞硫酸或硫酸的條件。加之爐管在運行中還在承受一定的拉應(yīng)力，即形成一定的應(yīng)力腐蝕效應(yīng)。經(jīng)過長時間的工作，翅片吸熱不均，造成盤管受熱不均，出現(xiàn)腐蝕斷裂現(xiàn)象。

2.2翅根積垢

火管爐燃燒過程，對于燃燒狀況多采油肉眼觀察，對于進(jìn)入的空氣量沒有不能很好地控制，引起爐膛內(nèi)自產(chǎn)氣不能充分燃燒，由于燃燒過程中不能及時對爐膛進(jìn)行清碳清垢處理。在翅片的根部會造成燃燒不凈的碳質(zhì)沉積極在翅片的根部，造成爐管加熱不均，引起爐管一定的變形，降低加熱效率。

3 爐管其他失效原因

氣液間斷現(xiàn)象會在管內(nèi)形成氣錘，使?fàn)t管局部受熱應(yīng)力增加，造成爐管破裂。

季節(jié)交替沒有進(jìn)行很好的保溫及排空措施，造成爐管的破裂。

加熱爐外壁部分破損，造成加熱爐爐管不同部位溫差較大，引起熱應(yīng)力集中。

設(shè)備安裝過程中，沒有考慮現(xiàn)場條件，安裝位置及角度隨意性大，引起爐膛內(nèi)火焰對爐管的加熱不均等。

4 失效原因分析

從上述失效原因分析中可以看出，火管爐的操作不當(dāng)，造成的設(shè)備內(nèi)部局部高溫引起的失效為主要操作因素。翅片的積垢、腐蝕造成的設(shè)備輸送管外壁損傷而引起的失效為主要環(huán)境因素。而這兩個因素對設(shè)備的運行起關(guān)鍵作用，當(dāng)設(shè)備定位于操作環(huán)境時，可以通過加裝保溫，增加防雨、防水，改變?nèi)紵橘|(zhì)來優(yōu)化操作環(huán)境。在設(shè)備使用中，操作因素貫穿于設(shè)備投用、使用、失效的全過程，在此期間延長設(shè)備的使用期限就應(yīng)作為設(shè)備操作培訓(xùn)的主要方向。建立相應(yīng)的火管爐加熱操作規(guī)程，進(jìn)行定期與不定期相結(jié)合的檢驗、檢查體系以完善設(shè)備使用規(guī)程，延長設(shè)備使用期限。

5 結(jié)論

總體而言，火管爐失效頻率明顯高于水套爐失效頻率，從現(xiàn)場條件對比看，環(huán)境因素占比相對較小。在使用過程中，造成失效多為人為因素。從上述失效形式中可以看出，高溫、受不均為主要因素。因此對火管爐的管理主要應(yīng)以控制火管爐出現(xiàn)高溫、受熱不均為主要切入點，加強(qiáng)火管爐的溫控管理，做到火管爐加熱溫度的平穩(wěn)運行，從改善燃燒環(huán)境及油井出液條件等多方面入手，以延長火管爐的使用壽命。

[1] 陶延令.采油技術(shù)問答[M].北京：石油工業(yè)出版社，1998：142.

[2] 盧綺敏.石油工業(yè)中的腐蝕與防腐[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：45.

Oil Heating Boiler Failure Analysis

Yang Bo

Single-well oil companies are now mostly commonly used furnace tube furnace fi re，fi re tube furnace failure frequency was signifi cantly higher than that of the water jacket furnace.Failure mode analysis carried out from the heating furnace and fi re tube structure.Creep analysis of high-temperature tube furnace after appearing，coking，carburization process，combined with environmental factors produce fi re tube furnace with external fi ns in the form of structure on heating effi ciency.Most of the major factors infl uencing factors for high temperature furnace failure failure，high temperature determined now to management aspects，the heating temperature can be extended fi re tube furnace life.

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TE974.2

A

1003-6490（2016）01-0025-02

2016-01-02

楊波（1977—），男，四川達(dá)縣人，高級技師，主要從事石油管理和采油工作。