加熱爐火管結垢過熱燒損問題研究與失效分析*

孟凡琦，孟慶武，姚依蘭，任黎明，張曉雪

(東北石油大學機械科學與工程學院, 黑龍江 大慶 163318)

?

加熱爐火管結垢過熱燒損問題研究與失效分析*

孟凡琦，孟慶武，姚依蘭，任黎明，張曉雪

(東北石油大學機械科學與工程學院, 黑龍江 大慶 163318)

為了查明一起原油加熱爐的火管燒損泄漏事故，對火管垢層以及火管金相組織進行了檢測分析，并對同類加熱爐火管垢層下的金屬溫度也進行了監測。結果表明，火管上表面積累的垢層導致金屬溫度過高，組織球化損傷，致使火管承載能力下降，在爐內壓力長期作用下蠕變鼓包變薄，最終造成破損泄漏。針對火管出現的問題，提出了組織損傷檢測評估、換用耐熱鋼材質、縮短清垢周期等措施，避免了類似事故的發生。

加熱爐 火管 結垢 失效分析

油田使用的加熱爐多數都是四合一加熱爐，其加熱段為火筒式加熱機構，包括燃燒器、火管和煙管等結構。燃料在火管內燃燒，通過火管和煙管的金屬壁向殼體內油水介質傳遞熱量[1]。隨著油田進入后期開發，聚合物驅油、三元復合驅油等技術得到推廣應用，油田采出液中原油黏度增大，加熱爐的火管表面結垢嚴重，如果清垢不及時，容易導致燒損事故[2-4]。

某油田采油廠的四合一加熱爐原來一般2 a清垢一次。2014年2月，三元復合驅推廣區塊的一臺加熱爐在清垢后運行一年半時，火管發生了燒損泄漏事故。為了查明加熱爐火管燒損失效原因，針對火管上部的垢層以及火管燒損部位金屬進行了檢測分析，并在同類加熱爐的火管上部焊接加裝了熱電偶監測機構，以便查明垢層下的金屬超溫情況。

1 火管表面的垢層檢測分析

打開四合一加熱爐檢查火管表面的結垢情況，見圖1。火管上表面結垢嚴重，正上部的垢層最厚，火管兩側和下部結垢輕微，火管上部結垢分布情況見圖2。用機械工具取下各部分垢層樣品，見圖3。通過測量垢層厚度發現，在火管前部越過內壁耐火層的部位垢層最厚，最厚處達到了42 mm，該處也是火焰加熱管壁金屬溫度最高的部位。

由圖3垢層形貌可以看出，垢層為淺灰色，比較致密，孔隙較少，垢層與火管金屬結合強度較高，不容易被清除掉。從垢層上取小塊試樣，用乙醚和丙酮除油處理后烘干，利用牛津INCA-350型能譜儀檢測垢樣的化學成分。從垢樣成分譜圖檢測結果可以看出，垢樣的化學成分中主要為O，S，Fe，Ca，Mg，C，Al和S元素，由此判斷垢樣的化合物組成為泥沙、硅酸鹽、碳酸鹽和鐵銹等混合物質。

圖1 爐內火管上部結垢形貌

推斷四合一火管表面結垢過程為：油井來的采出液含有一定量的泥沙、鐵銹和鹽垢，進入加熱爐后流速突降，泥沙、鐵銹和鹽垢連同稠油顆粒沉降到火管表面，形成軟垢；在火管表面較高溫度加熱作用下，稠油顆粒逐漸稀釋溶解，溶液中新形成的垢質顆粒填充垢層孔隙，經過逐漸積累過程，形成比較致密的硬垢。由這些物質組成的垢層類似于隔熱層，阻斷了火管金屬與油水介質之間的傳熱，勢必造成火管金屬的過熱和損傷。

圖2 火管上部結垢分布示意

2 火管金屬微觀組織檢測分析

將火管表面的垢層清除干凈后，顯示出火管金屬破損情況，見圖4。火管金屬的燒損泄漏在火管上表面距離內壁耐火層約12 cm的位置，破損處金屬向內凹陷，壁厚嚴重減薄，說明經過長時間的超溫運行，金屬發生了蠕變鼓包，最終導致火管破裂泄漏。

圖4 爐內火管的燒損泄漏形貌

在火管燒損部位截取小試樣，在火管側面部位也截取小試樣，試樣經過細磨、研磨和拋光，用4%硝酸酒精溶液浸蝕，制備成金相試樣，利用日立S-3400N型掃描電鏡對試樣進行金相組織分析。

火管材質為Q245R(舊牌號為20R/20G)碳素結構鋼，熱處理狀態為正火，其金相組織應該為珠光體加鐵素體,見圖5。由圖5可知，火管燒損金屬的金相組織雖然是珠光體加鐵素體，但是其中的珠光體已經不是正常的片層結構，而是發生了球化現象，其中的滲碳體轉化成顆粒狀。按照DL/T 674—1999《火電廠用20號鋼珠光體球化評級標準》，火管燒損部位金相組織的珠光體球化等級達到4級(中度球化)。火管側面金屬的金相組織中，珠光體未發生球化，依然是正常的片層結構，見圖6。

圖5 火管燒損金屬的微觀組織 1 000×

圖6 火管側面金屬的微觀組織 1 000×

該加熱爐已使用了8 a，累計運行超過50 000 h。由火管金相組織分析可知，由于火管上部的垢層隔熱效應，導致火管上部金屬局部溫度偏高，產生過熱和球化損傷。火管金屬組織球化損傷，致使火管承載能力下降，在爐內壓力長期作用下蠕變鼓包變薄，最終造成破損泄漏。

3 火管金屬溫度監測分析

為了查明加熱爐火管結垢導致的超溫情況，選取同一個站內的另一臺同類型四合一加熱爐(較新，使用周期3 a)，清除干凈火管表面的垢層，在火管上部管壁金屬最熱處(與失效泄漏火管相同部位)焊接加裝了熱電偶監測機構。經過接近2 a的火管溫度監測，查明了加熱爐使用的結垢周期與火管上部超溫程度的對應關系，見圖7。

圖7 結垢周期與火管超溫程度的對應趨勢

由圖7可以看出，加熱爐清完垢以后，隨著使用周期的延長，火管上部管壁金屬溫度逐漸升高，這說明火管上部結垢逐漸增厚。在第一年的使用周期里，后半年火管金屬溫度升高較快，火管上部結垢速度也較快，但是金屬溫度未超過400 ℃。在第二年的使用周期里，雖然火管金屬溫度升高較慢，火管上部結垢速度也較慢，但是金屬溫度都超過了400 ℃。

火管材質為Q245R，根據壓力容器相關標準，Q245R推薦使用溫度為-20～430 ℃，而火管金屬溫度在第二年的大部分使用周期里都超過了430 ℃。由此可以看出，在結垢嚴重的三元復合驅推廣區塊，四合一加熱爐原來2 a一次的清垢周期已經不合理了，考慮到季節因素以及加熱爐熱負荷變化情況，加熱爐應該改為1 a左右清垢一次。

4 結論與措施

(1)加熱爐的火管泄漏是由于上部長期超溫導致蠕變，最終鼓包破損造成的；

(2)火管上部長期超溫致使金屬微觀組織產生珠光體球化損傷，導致承載能力下降；

(3)火管上部結垢嚴重，特別是清垢周期的第二年，垢層較厚，導致火管金屬超溫嚴重;

(4)對全廠的加熱爐火管進行了現場組織損傷檢測與評估，排查出組織損傷嚴重的應更換火管；

(5)新建和更換的火管材質用15CrMoR耐熱合金鋼代替Q245R碳素鋼，提高火管耐高溫強度；

(6)加熱爐的清垢周期由原來的2 a改為1 a左右清垢一次，以避免火管上部結垢嚴重。

[1] 張秀梅,王巖,劉育峰.新型火筒式加熱爐的設計[J].石油化工設備技術,2002,23(2):27-29.

[2] 姜民政,朱君,李金玲,等.三元復合驅油井結垢分析及防垢劑研制[J].石油化工腐蝕與防護,2003,20(3):25-27.

[3] 陳濤.油田集輸系統腐蝕結垢與防治[J].石油化工腐蝕與防護,2011,28(2):27-29.

[4] 張淑霞，李盼.油田用加熱爐損壞原因分析及改進措施[J].油氣田地面工程,2015,34(7):78-80.

(編輯 寇岱清)

Overheating and Failure Analysis on the Fire Tube of Heating Furnace after Scaling

MengFanqi,MengQingwu,YaoYilan,RenLiming,ZhangXiaoxue

(CollegeofMechanicalScience&Engineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

In order to find out the causes of a burning leakage accident of fire tube in oil heating furnace, fouling and microstructure of the fire tube were analyzed and metal temperature under the fouling of the same kind fire tube was detected. The results showed that fouling on the surface of fire tube led to metal overheating and damage of spheroidizing microstructure, which caused the decrease in the bearing capacity of fire tube. Under the pressure of furnace for a long time, the fire tube crept, swelled and became thinning, which resulted in the damage and leakage. Several measures were put forward to avoid the occurrence of similar accidents, such as detecting and evaluating the microstructure damage, replacing with the heat resistant steel and shortening the cleaning period.

Heating furnace, fire tube, scaling, failure analysis

2016-10-28；修改稿收到日期：2017-03-10。

孟凡琦(1997-)，現就讀于東北石油大學石油工程專業，主要從事石油機械領域的研究工作。E-mail：qingwumeng523@163.com

孟慶武(1968-)，博士，教授。E-mail：qingwumeng523@163.com

大學生創新訓練重點項目(201610220006); 國家科技支撐計劃項目(2012BAH28F03)。