油田加熱爐燒損原因分析及治理措施

張潤澤（大慶油田第七采油廠規(guī)劃設計研究所，黑龍江 大慶163517）

轉(zhuǎn)油站應用的“四合一”裝置具有“分離、緩沖、沉降、加熱”功能，相較以往“三合一”處理工藝流程具有簡化站內(nèi)工藝、降低建設投資的優(yōu)勢，目前我廠已建轉(zhuǎn)油站31座，其中有15座轉(zhuǎn)油站應用“四合一”工藝流程。然而，近年來實際生產(chǎn)運行中，轉(zhuǎn)油站四合一頻頻出現(xiàn)火筒鼓包、穿孔的生產(chǎn)問題，影響油田生產(chǎn)平穩(wěn)運行。分析原因主要為，“四合一”裝置直接對油井采出液進行加熱升溫，因采出液礦化度較高，且含有大量泥砂、壓裂廢液等雜質(zhì)，隨著加熱爐長期運行、雜質(zhì)在火筒壁上沉積以及介質(zhì)長期腐蝕等因素影響，出現(xiàn)了火筒燒損、熱效率低和火筒火管腐蝕穿孔等問題，并且加熱爐內(nèi)為含油、含伴生氣等易燃易爆介質(zhì)，存在極大的安全生產(chǎn)隱患。同時四合一裝置頻頻出現(xiàn)煙火管過熱鼓包、穿孔等情況，火筒及煙火管維修費用高、周期長。針對此類問題，結合現(xiàn)場生產(chǎn)實際，對我廠“四合一”裝置燒損原因進行分析，并提出相應的改進措施。

1 我廠加熱爐運行現(xiàn)狀

1.1 加熱爐建設現(xiàn)狀

截止目前，我廠聯(lián)合站、中轉(zhuǎn)站、卸油點等地面站庫中，共建有各類加熱爐193 臺，設計總功率301.8MW。具體類型及分布情況如下：（見表1）

表1

1.2 存在問題

從我廠2016年-2017年加熱爐運行情況來看，共大修加熱爐10臺，全部是火筒式直接加熱爐，且均為轉(zhuǎn)油站“四合一”加熱爐，燒損率占該類加熱爐近30%。嚴重影響了油田正常生產(chǎn)，并造成一定的經(jīng)濟損失。

生產(chǎn)運行中，“四合一”裝置內(nèi)含有大量原油、伴生氣，如果火筒、煙火管燒損問題不能及時發(fā)現(xiàn)，易引發(fā)重大安全事故，給油田生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。同時加熱爐火管費用大，平均為40 萬元/臺，而且維修周期長，平均需要20 天左右。在冬季生產(chǎn)運行中，轉(zhuǎn)油站“四合一”裝置沒有備用，若在此期間發(fā)生“四合一”裝置燒損問題，造成集輸系統(tǒng)溫度下降，導致井區(qū)大面積管線凍堵而停井情況發(fā)生，影響生產(chǎn)平穩(wěn)運行。

2 四合一裝置燒損原因分析

2.1 火筒燒損問題

火筒燒損是火筒式直接加熱爐生產(chǎn)運行中的常見故障之一，我廠已建“四合一”裝置火筒燒損情況較為嚴重，主要為火筒受噴射火焰直接加熱區(qū)域出現(xiàn)鼓包、變形，由于加熱爐內(nèi)部介質(zhì)含油及伴生氣，火筒燒損給油田生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。

火筒燒損機理是火筒局部產(chǎn)生超溫現(xiàn)象。我廠在用加熱爐多在加熱爐火筒入口處鋪設1.2m～1.8m的耐火磚，耐火磚所在區(qū)域可統(tǒng)稱為均熱帶。燃燒器火焰噴射距離基本位于加熱爐火筒向內(nèi)1.5～2.0m 的范圍，高溫區(qū)主要集中在火管向內(nèi)2.0～3.0m 處，即出火筒外壁耐火磚以外區(qū)域，由于耐火磚前側(cè)出現(xiàn)溫度突變，導致此處火筒較之其他部位溫度高，隨著加熱爐高負荷運行和燃燒器功率的提高，造成火筒壁溫迅速升高，當溫度上升至430℃以上時，容易產(chǎn)生熱應力，火筒外部結垢傳熱變差，加之火筒前段上部即為四合一來液出口，加熱段前端泥砂、雜質(zhì)淤積嚴重，加熱介質(zhì)循環(huán)不暢，易造成火筒局部過熱導致筒壁變形、穿孔。

2.2 煙火管結垢問題

結合“四合一”裝置內(nèi)部結構原理，加熱介質(zhì)為油井采出液，一方面采出液礦化度較高，所含泥砂量和雜質(zhì)也較多，且含有大量易成垢的鈣、鎂、碳酸根、硫酸根等游離子，同時還含有大量的原油、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等成垢的黏合劑。采出液被加熱后，煙火管和火筒外壁析出碳酸鈣、碳酸鎂、硫酸鈣等鹽類垢，隨著運行時間延長結垢越發(fā)嚴重。在對已發(fā)生燒損加熱爐火筒垢層檢測時，發(fā)現(xiàn)部分火筒外壁硬垢、軟垢厚度可達10～30mm，其中“硬垢”主要為泥沙、硅酸鹽、碳酸鹽、鐵銹等組成的結構致密、強度高的底層垢，由沉積的重組分原油、泥質(zhì)物、懸浮物等雜質(zhì)滯留在火管頂面形成的“軟垢”結構疏松、強度小。

在生產(chǎn)運行中，按照常規(guī)應至少每年清理一次加熱爐的煙火管。而在實際除垢作業(yè)中，加熱爐煙火管除垢往往不能達到預設要求，如果加熱爐未按期除垢或除垢不及時、不徹底，為保證集輸系統(tǒng)溫度要求維持出口溫度，勢必加大燃燒功率輸出，從而使火筒工作溫度升高，加快了火筒結垢速度，并致使燃燒功率不能有效傳導，形成惡性循環(huán)，易造成火筒和煙火管的變形或燒損。

2.3 煙火管腐蝕

目前我廠在用的36臺“四合一”裝置，部分加熱爐使用時間較長，再加上“四合一”內(nèi)部介質(zhì)成分復雜，在高溫和酸性的環(huán)境中，極易發(fā)生火筒和煙火管腐蝕情況。火管內(nèi)壁腐蝕主要是高溫氧化腐蝕，加熱溫度越高，金屬氧化的速度越快。火筒及煙火管外壁腐蝕與加熱介質(zhì)有關，由于火筒及煙火管并無外防腐層保護，因此電化學腐蝕較為明顯，主要以點蝕為主。

2.4 火筒鋼材耐高溫性差

目前，我廠在用火筒式直接加熱爐內(nèi)部火筒及煙火管材質(zhì)全部采用20R 鋼材，設計最高溫度上限為475℃。在加熱爐燃燒器滿負荷或超負荷運行時，火筒局部溫度最高可達430-450℃，已接近鋼材設計溫度上限，如過火筒壁局部結垢嚴重就易發(fā)生火筒鼓包、變形、破裂，其中“鼓包”現(xiàn)象主要集中在耐火磚和無耐火磚的交界處出現(xiàn)。通過2016 年-2017 年發(fā)生燒損加熱爐拆除的火筒觀察研究，火筒鼓包變形和穿孔部位一般在耐火磚前側(cè)0.2～0.5 m左右，

2.5 燃燒器燃燒強度過大

隨之油田開發(fā)生產(chǎn)時間延長，受井底情況影響，采出液泥砂量越來越大，同時扶余油層和水平井的開發(fā)建設需要大規(guī)模壓裂施工，壓裂反排液中聚合物較多，在“四合一”裝置內(nèi)形成大量的絮狀物質(zhì)沉積于火筒和煙火管外表面，“軟硬垢”沉積附著使得火筒傳熱效果越來越差。為保證介質(zhì)出口溫度，燃燒器運行功率逐漸提高，當燃燒器的燃燒強度超過加熱爐額定熱功率時，會造成火筒局部過熱接近火筒鋼材的蛻變溫度，長時間運行在外力影響就易出現(xiàn)損壞。另外，也存在部分加熱爐燃燒器在安裝時未能與火筒保持同心一致，實際運行中造成噴射火焰偏燒，導致火筒局部筒壁過熱發(fā)生鼓包、變形。

3 加熱爐技防措施

針對“四合一”裝置加熱爐故障的治理工作，主要從主動預防、優(yōu)化運行、完善制度、改造治理等四個方面開展，以降低加熱爐燒損情況的發(fā)生。

3.1 主動預防

一是開展轉(zhuǎn)油站阻垢劑、緩蝕劑“個性化”加藥方式，根據(jù)不同的轉(zhuǎn)油站所轄井區(qū)采出液性質(zhì)，實施“個性化”加藥配方和藥劑配比，可以有效抑制火筒結垢速率。二是提高加熱爐清淤除垢驗收標準，需要定期清除火筒及煙火管上附著的“軟硬垢”，其中軟垢對火筒熱傳導影響最大，要求我廠已建“四合一”裝置的清淤除垢周期為每年1次，部分處理液量成分復雜的清淤除垢周期為1年兩次，清淤除垢作業(yè)后，廠、礦、隊負責人進罐驗收。三是配備加熱爐火筒高溫報警監(jiān)測裝置，該裝置可實時監(jiān)測火筒易發(fā)生燒損處溫度情況，防止超溫運行燒損，站內(nèi)管理人員要懂操作、勤查看，確保裝置預警功能正常工作，同時完善火筒高溫預警系統(tǒng)與燃燒器的聯(lián)鎖調(diào)控功能，當火管溫度超過其設定溫度(一般為450 ℃)時，爐管高溫監(jiān)測裝置中會自動調(diào)低燃燒器的進氣量和燃氣輸送量或立即停爐。

3.2 優(yōu)化運行

開展全廠轉(zhuǎn)油站集輸參數(shù)優(yōu)化管理工作，定期跟蹤轉(zhuǎn)油站井、間、站各節(jié)點集輸系統(tǒng)生產(chǎn)運行參數(shù)，核實站內(nèi)加熱爐生產(chǎn)運行負荷，及時優(yōu)化調(diào)整站內(nèi)加熱爐運行臺數(shù)和運行參數(shù)，提高加熱爐運行效率，對于部分負壓直接加熱火筒加熱爐的燃燒器，合理調(diào)整燃燒器的最大輸出功率。

3.3 完善制度

完善加熱爐運行管理規(guī)定，一是加熱爐從冷備用到投入運行的烘爐時間不能低于24 h。二是加熱爐正常運行時出口溫度每小時內(nèi)差異值不能超過5 ℃。三是轉(zhuǎn)油站應結合生產(chǎn)需求，采取集中洗井、沖環(huán)作業(yè)，降低系統(tǒng)溫場沖擊對加熱爐的影響。四是為防止雙火筒加熱爐出現(xiàn)局部偏燒，兩個火筒的輸出負荷表差值不能超過10%。

3.4 改造治理

一是可在火筒高溫區(qū)管壁材質(zhì)更換為耐高溫鋼（15CrMoR）。二是改進四合一內(nèi)部結構，我廠有部分四合一為分段給水工藝，即加熱段和緩沖段分別設有聯(lián)通管線至水室，該工藝不利于水出口溫度提升，因此將加熱段和緩沖段至水室的調(diào)節(jié)堰出口用卡箍封堵，可有效提高水出口溫度，達到生產(chǎn)需求。

4 結論及建議

我廠在用“四合一”裝置存在的主要問題有煙火管和火筒腐蝕結垢嚴重、火筒易發(fā)生鼓包、變形、燒損等，為了解決這些問題，提出了相應的防治措施：在火筒耐火磚外安裝火筒高溫監(jiān)測裝置，加強清淤除垢作業(yè)質(zhì)量，優(yōu)化加熱爐運行負荷，限制生產(chǎn)運行上限閥值等等。通過采取以上措施，一方面大降低了加熱爐火筒及煙火管燒損情況的出現(xiàn)，另一方面提高了加熱爐的燃燒效率，節(jié)省燃氣消耗。