原油直接式加熱爐爐管失效機理及安全評價方法

劉保余,綦耀光,劉佳男

(1.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東東營257061;2.中石化管道儲運公司,江蘇徐州221008;3.江蘇大學(xué) 機械學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

原油直接式加熱爐爐管失效機理及安全評價方法

劉保余1,2,綦耀光1,劉佳男3

(1.中國石油大學(xué)(華東)機電工程學(xué)院,山東東營257061;2.中石化管道儲運公司,江蘇徐州221008;3.江蘇大學(xué) 機械學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

分析了原油直接式加熱爐爐管的失效形式和失效機理。爐管的主要失效形式為腐蝕穿孔、氧化腐蝕,這些失效形式主要是由低溫露點腐蝕、高溫硫化腐蝕和高溫混合氣氛下的硫化氧化腐蝕造成的。根據(jù)現(xiàn)場實際檢測結(jié)果和爐管結(jié)構(gòu)特點,提出了輻射管和對流管的檢測及安全性能評價方法,為保證加熱爐的安全運行提出了新的思路。

原油加熱爐;爐管;露點腐蝕;高溫硫化;安全評價方法

Abstract:The failure form and failure mechanism of the furnace tube in the crude furnace were investigated.It is shown that the main failure forms are the pitting and oxidation corrosion.And all the failures are attributed to the dew point corrosion and high temperature sulphidization and oxidation corrosion.According to two different tubes’structure and characteristics of testing methods,it takes different testing methods to test tubes of crude furnace.According to the measurements on the scene,a new failure detecting and security evaluation method was formulated.It is a new method to guarantee the production security.

Key words:crude furnace;tube;dew point corrosion;high temperature sulphidization;safety evaluation method

我國生產(chǎn)的原油普遍具有高凝固點、高含水和高粘度的“三高”特點,在輸送過程中由于管道周圍介質(zhì)的溫度低于原油的凝固點,使得原油輸送十分困難。采用原油加熱爐(結(jié)構(gòu)如圖1)對原油加溫輸送是解決這一問題的最為經(jīng)濟和有效的方法。隨著油氣田勘探開發(fā)面積及開發(fā)難度的增大,油田用加熱爐的數(shù)量越來越多,由它引起的安全事故也越來越多。早期是加熱爐使用不當(dāng)造成火災(zāi)甚至爆炸事故,近年來為提高加熱爐效引起的爐管腐蝕、預(yù)熱器損壞等事故已嚴(yán)重影響到加熱爐的安全運行。因此,本文對原油直接式加熱爐爐管進(jìn)行常見的失效機理分析,并探討爐管的檢驗方法,建立爐管在役評價體系,對于油氣田的安全生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實意義。

圖1 輸油管線加熱爐結(jié)構(gòu)

1 爐管失效形式和機理

1.1 爐管失效形式

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),加熱爐管的主要失效形式表現(xiàn)為腐蝕穿孔、氧化腐蝕以及腐蝕減薄;釘頭管的釘頭加速了積灰、積鹽的速率,灰垢會吸收水分,造成釘頭根部腐蝕。

1.2 失效機理

a) 低溫露點腐蝕 燃料油都含有少量的硫,燃燒后全部生成SO2。其中少量的 SO2由于O2的存在進(jìn)一步氧化成 SO3。通常約有 1%～3%的SO2轉(zhuǎn)化為 SO3。在輸油管線加熱爐的操作條件下,SO2氣體不腐蝕金屬,當(dāng)煙氣溫度在400℃以下時,SO3與煙氣中的水蒸氣化合成硫酸蒸氣,凝結(jié)成硫酸的溫度稱為煙氣露點。當(dāng)對流管壁溫度低于露點時,硫酸蒸氣就凝結(jié)在管壁上產(chǎn)生低溫露點腐蝕。同時冷凝的硫酸液體還會粘附煙氣中的灰塵形成不易清除的積垢,使煙氣通道不暢,甚至堵塞。

b) 高溫硫化腐蝕 通常是指高溫下金屬與氣體硫、有機堿發(fā)生的反應(yīng)而導(dǎo)致的腐蝕。金屬與硫反應(yīng)的速度比氧化反應(yīng)快得多,其主要原因為:①硫化物的擴散系數(shù)大于氧化物的擴散系數(shù);②硫化物穩(wěn)定相的數(shù)目多;③硫化物的熔點比氧化物的低,金屬可與這些硫化物形成低熔點的共晶物,進(jìn)而導(dǎo)致加速硫化;④金屬硫化物的分子體積大于氧化物,硫化物分子體積大,硫化物產(chǎn)生的應(yīng)力比氧化物產(chǎn)生的應(yīng)力大許多,易使硫化層破裂,從而加速金屬的硫化。

c) 高溫混合氣氛下的硫化氧化腐蝕 是指在含氧和硫的混合氣氛下,金屬受到氧化、硫化或硫化氧化為主的腐蝕在氧化分壓高于氧化物分壓時,反應(yīng)主要是氧化,形成氧化物;在硫分壓高于硫化物分壓時,反應(yīng)主要是硫化,形成硫化物;當(dāng)環(huán)境氣氛的硫分壓、氧分壓正處在硫化物、氧化物的分壓時,同時發(fā)生硫化、氧化硫化物和氧化物能平衡共存。

1.3 影響加熱爐爐管安全運行及使用壽命的主要因素

a) 燃料油的含硫量。

b) 燃料油的含氫量(含氫量決定了煙氣中的水蒸氣量)。

c) 燃料油燃燒后的灰垢成分;灰垢成分為Fe2O3、V2O5和 Fe2(SO4)3時 ,對 SO3的生成起催化作用,使露點升高,灰垢成分為 CaCO3、MgCO3等碳酸鹽時,能減緩和抑制SO3的生成,使露點降低。

d) 燃燒時的過剩空氣系數(shù)。

2 加熱爐爐管的檢測方法[1-11]

加熱爐爐管分為2種:一種是位于輻射室的輻射爐管;另外一種是位于對流室的帶有釘頭的對流爐管。

金屬管道的檢測方法有很多,如超聲波檢測、射線檢測、外壁漏磁檢測、漏磁內(nèi)檢測(智能pig)和超聲導(dǎo)波檢測等。

2.1 輻射爐管的檢測

超聲導(dǎo)波在固體材料中通常存在2種基本的波型,即縱波與橫波。當(dāng)超聲傳播介質(zhì)被局限在棒狀或管狀的邊界內(nèi),邊界對超聲波產(chǎn)生反復(fù)不斷的反射,這樣就能形成看似新的超聲波類型——導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波的技術(shù)特點:

a) 在線檢測,檢測管道內(nèi)外部金屬損失缺陷;包括焊縫缺陷(夾渣、未焊透、未融合等)、腐蝕、裂紋等缺陷。檢測距離長。

b) 對管壁進(jìn)行一次性、100%的檢測;檢測定位精度可達(dá)±6 cm。

c) 檢測過程簡單,不需要耦合劑;工作溫度-40～180℃。

d) 對任何位置缺陷都具有相同的靈敏度(2%);管道壁厚截面的金屬損失3%;可靠地檢測9%金屬損失缺陷。

e) 能夠鑒別缺陷、管道特征、焊縫、彎曲及支撐等。可檢測環(huán)向焊縫初始裂紋長度為周長的3%、深度為壁厚20%的裂紋。

加熱爐輻射管隨輻射室的外形均勻地排列于輻射室的內(nèi)側(cè),管端通過彎頭及匯管將所有的爐管連接在一起,爐管的排列方式如圖2所示。

圖2 輻射室爐管布置實例

根據(jù)加熱爐輻射爐管的結(jié)構(gòu)特點和超聲導(dǎo)波的技術(shù)優(yōu)點,采用超聲導(dǎo)波技術(shù)對輻射爐管進(jìn)行無損檢測,如圖3。

圖3 輻射爐管超聲導(dǎo)波檢測

超聲導(dǎo)波檢測能夠檢測到爐管的彎頭、三通、缺陷等特征,并能提供準(zhǔn)確的定位。實例如圖4和表1,經(jīng)過對檢測數(shù)據(jù)的分析判斷,傳感器環(huán)正向特征+F2處即1.71 m處判斷為缺陷,正向特征+F3處即4.21 m處存在具有長度的缺陷,缺陷長度約1.23 m。該管道檢測效果良好,檢測長度約10 m。

圖4 波形曲線

表1 波形異常管段特征列表

2.2 對流爐管的檢測

由于對流爐管特殊的釘頭結(jié)構(gòu)(如圖5),像超聲導(dǎo)波這樣的檢測方法不適合進(jìn)行檢測,目前只能對對流爐管進(jìn)行蒸汽清灰,清灰完成后進(jìn)行目測,對不能直接目測的地方采用工業(yè)內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察目測。對于有腐蝕嚴(yán)重地方進(jìn)行標(biāo)示,然后采用常規(guī)無損檢測方法進(jìn)行檢測。

圖5 對流爐管的清灰和檢查現(xiàn)場

3 安全性能評價

參照ASME B31G、PCORRC和DNV三種評價方法,腐蝕深度是影響爐管使用壽命的主要因素,根據(jù)原油加熱爐的工況,當(dāng)爐管壁厚減薄30%,爐管就處于不安全的狀態(tài),必須進(jìn)行換管處理。在腐蝕量＜30%的條件下,根據(jù)加熱爐的狀況,腐蝕失效形式和腐蝕機理以及檢測結(jié)果進(jìn)行綜合安全性評價。

對流爐管不同于輻射爐管,由于對流室的結(jié)構(gòu)特點,而且對流爐管大部分為釘頭管,無損檢測手段無法得到應(yīng)用。因此,對于對流爐管的評價是從2方面同時進(jìn)行的,一方面基于現(xiàn)場無損檢測的結(jié)果;另一方面對對流室進(jìn)行溫度場模擬計算,找出設(shè)備正常運行時對流室內(nèi)對流爐管壁溫分布規(guī)律,對于低溫區(qū)域采取重點檢測,對低溫區(qū)域同樣無法檢測的部位,采取用相同溫度或更低溫度區(qū)域能進(jìn)行檢測的爐管代替,如果此條件也無法滿足,則由檢驗人員視情況對重點區(qū)域采取破壞檢測的方法[6-17]。此外由于對流室內(nèi)溫度場時刻發(fā)生變化,而露點腐蝕又具有突發(fā)性,對流爐管的安全評價必須包括對加熱爐運行情況的實時監(jiān)測。根據(jù)爐管的結(jié)構(gòu)特點和工況,采用以下思路對爐管進(jìn)行安全評價[18-25]。

a) 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研的情況及以前爐管發(fā)生過失效情況,確定對流管可能存在的失效形式。此項工作為開放性的,隨著加熱爐運行參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式的不斷變化,其失效形式也需不斷調(diào)整。

b) 根據(jù)可能出現(xiàn)的失效形式,有針對性地進(jìn)行相關(guān)的檢驗,對各種失效可能進(jìn)行確認(rèn)或排除。

c) 對缺陷量化,綜合評定爐管繼續(xù)使用的安全性。

d) 對于溫度場計算為低溫區(qū)域且無法進(jìn)行無損檢測的釘頭管,選擇與爐管壁溫相似或更低的能進(jìn)行檢測的爐管,監(jiān)控可能影響到加熱爐爐管安全使用的運行參數(shù),適時調(diào)整運行參數(shù)。

e) 綜合評定爐管系統(tǒng)的安全性。

爐管腐蝕的機理可能會隨著工藝介質(zhì)、操作參數(shù)等的變化而變化,相應(yīng)的檢驗方法甚至評價的方法都有可能進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn),但確保爐管安全使用的安全評價思路不會改變。

4 結(jié)論

1) 加熱爐爐管的主要失效形式為腐蝕穿孔、氧化腐蝕。這些失效形式主要是由低溫露點腐蝕、高溫硫化腐蝕和高溫混合氣氛下的硫化氧化腐蝕造成的。

2) 根據(jù)爐管結(jié)構(gòu)和檢測方法的特點,提出了輻射管和對流管的檢測方法

3) 綜合加熱爐爐管的使用工況和爐管的結(jié)構(gòu)特點及爐管的腐蝕機理,提出了安全性能評價方法。

4) 本文提出的方法有別于壓力容器、壓力管道或鍋爐的在用檢驗、安全評價,為保證加熱爐的安全運行提出了新的思路。

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Investigation of Failure Evaluation Method,Failure Mechanism and Safety Evaluation Method of Crude Oil Furnace

LIU Bao-yu1,2,QI Yao-guang1,LIU Jia-nan3
(1.College of Mechanical and Eletrical Engineering,China University ofPetroleum,Dongying257061,China;2.SINOPEC Pipeline Storage and Transportation Company,Xuzhou221008,China;3.College of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang212013,China)

TE936

A

1001-3482(2010)08-0087-04

2010-01-15

劉保余(1966-),男,江蘇睢寧人,高級工程師,博士研究生,目前從事采油機械及原油輸送設(shè)備研究,E-mail:xuj601@126.com。