加热炉火管结垢过热烧损问题研究与失效分析*

孟凡琦，孟庆武，姚依兰，任黎明，张晓雪

(东北石油大学机械科学与工程学院, 黑龙江 大庆 163318)



加热炉火管结垢过热烧损问题研究与失效分析*

孟凡琦，孟庆武，姚依兰，任黎明，张晓雪

(东北石油大学机械科学与工程学院, 黑龙江 大庆 163318)

为了查明一起原油加热炉的火管烧损泄漏事故，对火管垢层以及火管金相组织进行了检测分析，并对同类加热炉火管垢层下的金属温度也进行了监测。结果表明，火管上表面积累的垢层导致金属温度过高，组织球化损伤，致使火管承载能力下降，在炉内压力长期作用下蠕变鼓包变薄，最终造成破损泄漏。针对火管出现的问题，提出了组织损伤检测评估、换用耐热钢材质、缩短清垢周期等措施，避免了类似事故的发生。

加热炉 火管 结垢 失效分析

油田使用的加热炉多数都是四合一加热炉，其加热段为火筒式加热机构，包括燃烧器、火管和烟管等结构。燃料在火管内燃烧，通过火管和烟管的金属壁向壳体内油水介质传递热量[1]。随着油田进入后期开发，聚合物驱油、三元复合驱油等技术得到推广应用，油田采出液中原油黏度增大，加热炉的火管表面结垢严重，如果清垢不及时，容易导致烧损事故[2-4]。

某油田采油厂的四合一加热炉原来一般2 a清垢一次。2014年2月，三元复合驱推广区块的一台加热炉在清垢后运行一年半时，火管发生了烧损泄漏事故。为了查明加热炉火管烧损失效原因，针对火管上部的垢层以及火管烧损部位金属进行了检测分析，并在同类加热炉的火管上部焊接加装了热电偶监测机构，以便查明垢层下的金属超温情况。

1 火管表面的垢层检测分析

打开四合一加热炉检查火管表面的结垢情况，见图1。火管上表面结垢严重，正上部的垢层最厚，火管两侧和下部结垢轻微，火管上部结垢分布情况见图2。用机械工具取下各部分垢层样品，见图3。通过测量垢层厚度发现，在火管前部越过内壁耐火层的部位垢层最厚，最厚处达到了42 mm，该处也是火焰加热管壁金属温度最高的部位。

由图3垢层形貌可以看出，垢层为浅灰色，比较致密，孔隙较少，垢层与火管金属结合强度较高，不容易被清除掉。从垢层上取小块试样，用乙醚和丙酮除油处理后烘干，利用牛津INCA-350型能谱仪检测垢样的化学成分。从垢样成分谱图检测结果可以看出，垢样的化学成分中主要为O，S，Fe，Ca，Mg，C，Al和S元素，由此判断垢样的化合物组成为泥沙、硅酸盐、碳酸盐和铁锈等混合物质。

图1 炉内火管上部结垢形貌

推断四合一火管表面结垢过程为：油井来的采出液含有一定量的泥沙、铁锈和盐垢，进入加热炉后流速突降，泥沙、铁锈和盐垢连同稠油颗粒沉降到火管表面，形成软垢；在火管表面较高温度加热作用下，稠油颗粒逐渐稀释溶解，溶液中新形成的垢质颗粒填充垢层孔隙，经过逐渐积累过程，形成比较致密的硬垢。由这些物质组成的垢层类似于隔热层，阻断了火管金属与油水介质之间的传热，势必造成火管金属的过热和损伤。

图2 火管上部结垢分布示意

2 火管金属微观组织检测分析

将火管表面的垢层清除干净后，显示出火管金属破损情况，见图4。火管金属的烧损泄漏在火管上表面距离内壁耐火层约12 cm的位置，破损处金属向内凹陷，壁厚严重减薄，说明经过长时间的超温运行，金属发生了蠕变鼓包，最终导致火管破裂泄漏。

图4 炉内火管的烧损泄漏形貌

在火管烧损部位截取小试样，在火管侧面部位也截取小试样，试样经过细磨、研磨和抛光，用4%硝酸酒精溶液浸蚀，制备成金相试样，利用日立S-3400N型扫描电镜对试样进行金相组织分析。

火管材质为Q245R(旧牌号为20R/20G)碳素结构钢，热处理状态为正火，其金相组织应该为珠光体加铁素体,见图5。由图5可知，火管烧损金属的金相组织虽然是珠光体加铁素体，但是其中的珠光体已经不是正常的片层结构，而是发生了球化现象，其中的渗碳体转化成颗粒状。按照DL/T 674—1999《火电厂用20号钢珠光体球化评级标准》，火管烧损部位金相组织的珠光体球化等级达到4级(中度球化)。火管侧面金属的金相组织中，珠光体未发生球化，依然是正常的片层结构，见图6。

图5 火管烧损金属的微观组织 1 000×

图6 火管侧面金属的微观组织 1 000×

该加热炉已使用了8 a，累计运行超过50 000 h。由火管金相组织分析可知，由于火管上部的垢层隔热效应，导致火管上部金属局部温度偏高，产生过热和球化损伤。火管金属组织球化损伤，致使火管承载能力下降，在炉内压力长期作用下蠕变鼓包变薄，最终造成破损泄漏。

3 火管金属温度监测分析

为了查明加热炉火管结垢导致的超温情况，选取同一个站内的另一台同类型四合一加热炉(较新，使用周期3 a)，清除干净火管表面的垢层，在火管上部管壁金属最热处(与失效泄漏火管相同部位)焊接加装了热电偶监测机构。经过接近2 a的火管温度监测，查明了加热炉使用的结垢周期与火管上部超温程度的对应关系，见图7。

图7 结垢周期与火管超温程度的对应趋势

由图7可以看出，加热炉清完垢以后，随着使用周期的延长，火管上部管壁金属温度逐渐升高，这说明火管上部结垢逐渐增厚。在第一年的使用周期里，后半年火管金属温度升高较快，火管上部结垢速度也较快，但是金属温度未超过400 ℃。在第二年的使用周期里，虽然火管金属温度升高较慢，火管上部结垢速度也较慢，但是金属温度都超过了400 ℃。

火管材质为Q245R，根据压力容器相关标准，Q245R推荐使用温度为-20～430 ℃，而火管金属温度在第二年的大部分使用周期里都超过了430 ℃。由此可以看出，在结垢严重的三元复合驱推广区块，四合一加热炉原来2 a一次的清垢周期已经不合理了，考虑到季节因素以及加热炉热负荷变化情况，加热炉应该改为1 a左右清垢一次。

4 结论与措施

(1)加热炉的火管泄漏是由于上部长期超温导致蠕变，最终鼓包破损造成的；

(2)火管上部长期超温致使金属微观组织产生珠光体球化损伤，导致承载能力下降；

(3)火管上部结垢严重，特别是清垢周期的第二年，垢层较厚，导致火管金属超温严重;

(4)对全厂的加热炉火管进行了现场组织损伤检测与评估，排查出组织损伤严重的应更换火管；

(5)新建和更换的火管材质用15CrMoR耐热合金钢代替Q245R碳素钢，提高火管耐高温强度；

(6)加热炉的清垢周期由原来的2 a改为1 a左右清垢一次，以避免火管上部结垢严重。

[1] 张秀梅,王岩,刘育峰.新型火筒式加热炉的设计[J].石油化工设备技术,2002,23(2):27-29.

[2] 姜民政,朱君,李金玲,等.三元复合驱油井结垢分析及防垢剂研制[J].石油化工腐蚀与防护,2003,20(3):25-27.

[3] 陈涛.油田集输系统腐蚀结垢与防治[J].石油化工腐蚀与防护,2011,28(2):27-29.

[4] 张淑霞，李盼.油田用加热炉损坏原因分析及改进措施[J].油气田地面工程,2015,34(7):78-80.

(编辑 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-)，现就读于东北石油大学石油工程专业，主要从事石油机械领域的研究工作。E-mail：qingwumeng523@163.com

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

大学生创新训练重点项目(201610220006); 国家科技支撑计划项目(2012BAH28F03)。