預熱爐爐管失效原因分析及預防

馬貝貝

（山西焦化股份有限公司，山西 臨汾 041606）

1 爐管失效介紹

管道失效是指管道無法發揮原有功效或性能的現象，一般分為自然失效與異常失效兩種。由于管道在運行過程中，在內部介質及周圍環境的影響下，將會無可避免地產生溫度或壓力循環、腐蝕、振動以及材質組織的變化等影響材料性能和密封性能等問題，因此任何管道都有一定的使用壽命。由于在用管道在設計、制造、運輸、安裝和運行管理等各個環節都會引起異常失效，而造成難以預料的悲慘事故發生。常見的失效現象有高溫蠕變疲勞損壞，管道過載核引起的損壞，管道震動或松動導致的損壞，管道沖刷、汽蝕導致的壁厚變薄，機械損傷，腐蝕破壞，管道內壁固體物的粘結或沉積，熱疲勞損壞等。

2 原因分析

2.1 材質把關

爐管材質是施工質量及施工控制過程中一個主要的環節，也對爐管是否適合應有工況及是否失效起著至關重要的作用。從設計、采購、驗收、存放等各個環節都可能引起管材的不合理或提前失效。為避免該情況的發生，有效確保爐管材質，應注意以下幾點。

（1）規范設計。要求按照相關設計標準、最低要求、工藝產能及實際核算等具體情況，對爐管進行合理設計，并適當考慮設計裕量，以確保設備在惡劣工況下也能達到應有的最低壽命。從材質成分、厚度、安裝要求，甚至對制造廠商的特殊要求等，都將作為設計的依據進行考慮。這是確保主體設備及爐管壽命的第一道關口，也是避免失效的一項有效措施。

（2）嚴格驗收。嚴格按照圖紙中要求的管材、厚度及數量等進行采購。同時向供貨方索要相關的材質證明，必要時取樣進行成分分析，確保爐管質量。

（3）規范管理。①最好在室內存放，且保持室內干燥，且周圍無腐蝕性氣體介質，盡量避免管材腐蝕；用一種尺寸的管材不得相鄰存放，防止混雜在一起，出現材質錯誤的現象。②建立完整的物資臺賬，包括物資名稱、材質、厚度、數量、存放位置等內容，并安排專人看管及定期核對（盤庫）。③嚴格出入庫程序。必須有主管領導簽字，方可出庫；緊急情況下，口頭答應并在及時補辦相關出庫手續。有詳細的出、入庫記錄，并適時更新物資臺賬。

2.2 嚴格安裝程序及標準

按照行業規范及標準進行安裝，是工程項目控制的最基本的要求。作為爐管的安裝，應主要遵循GB50235-2010《工業金屬管道工程施工規范》，并結合DL/T5047—95《電力建設施工及驗收技術規范（鍋爐機組篇）》要求進行施工及驗收；主要涉及的有金屬管道的敷設、排列、固定、支吊、焊接等工序的具體要求及標準。尤其是在焊接質量的檢測方面，嚴格根據比例，采用最佳方法或圖紙要求的檢測方法進行抽樣檢測，來保證焊縫質量。同時，在施工過程中，還要加強隱蔽過程的階段性驗收，實行過程管理，在保證工程質量的同時，還可防止不必要的返工及資源浪費。

2.3 加強日常檢查、檢測

（1）宏觀檢查及測量。外觀檢查：經對爐管可見部分進行宏觀檢查，并進行一個描述，重點對所有管排的排列或錯位情況、爐管顏色變化情況、爐管結焦、腐蝕、變形、鼓包、支架（吊架）牢固情況等狀況進行詳細的查看及對比，尤其是彎管、焊口部位要作為重點進行檢查。管壁厚度測量：由于管子磨損、機械損傷或腐蝕等外界因素影響，導致爐管壁厚減薄是一種普遍現象，但如果超過運行的減薄量，哪怕是小范圍腐蝕變薄，都會威脅到爐管的安全使用。一方面是由于新管子壁厚本身就存在一定的負偏差；同時，在運行工況狀態下的自然損耗等情況，都直接導致管壁厚會向著負偏差的方向惡化。一般要求不少于原管子設計標準壁厚的80%，否則應考慮給予更換。如該爐管設計壁厚為9.5毫米，則最小安全壁厚應為7.6毫米。脹粗率測量：由于管子在高溫工況下，極易發生蠕變，導致爐管內外徑發生一定的變化，出現整體或局部脹粗現象。一般要求外徑脹粗不超過原管子設計標準的5%，否則視為爐管失效，應考慮對脹粗爐管局部或整體進行更換。如：該爐管設計外徑為φ140毫米，則最大外徑為147毫米。而從本論文部分實驗可以看出，該爐管外徑在140.06～140.25，只有輕微的脹粗，可以安全運行。

（2）對焊口進行滲透檢測。焊縫是整根管上較為薄弱的部位，也是失效最為常見的部位。作為對焊口的常規檢測方法，滲透檢測能被選于其中，也是靠其專門針對焊縫檢查，且具有便于操作和檢測準確等特有的優勢，成為一種最為常見的檢測方法。

（3）對高溫區爐管進行超聲波檢測。從多個試驗中都可以看出，高溫區爐管失效的幾率較高。所以根據本文的檢測方法，采用超聲波進行檢測，可以有效檢測出缺陷部位和失效情況。

2.4 嚴格條件的控制

（1）運行溫度的控制。作為熱力管道，溫度為首要考慮因素。既要保證操作過程不超溫，又要控制升溫速率不宜過快。HK40爐管的標準耐受溫度為1040℃。管道變形甚至產生裂紋等失效現象，且防止初期出現水擊現象引起管道振動、雜音等，一般冷的蒸汽管道都需要較長時間的預熱或暖管。根據實際經驗，長時間冷卻后的爐管進汽初期，通過只控制旁路閥，將升溫速率一般控制在2～3℃/min，且加大疏水；升溫中期可提高至 5℃ /min。

（2）工作壓力控制。根據爐管材質及設計要求，控制在安全、合理的壓力范圍內運行，方可保證爐管的運行安全。要嚴格按照壓力管道的管理進行操作管理，保證爐管不超壓運行。本爐管的輻射段的設計壓力為2.6MPa。

2.5 管壁清理或清洗

由于爐管長時間運行，根據介質的不同，內、外壁結垢或積渣情況不一，輕則影響到爐管的換熱效率、造成爐管腐蝕，重則引起爆管的嚴重失效狀況。所以，有必要定期對內外壁進行清理或清洗，提高換熱效率，減少爐管失效幾率。

（1）內壁沖洗。對于內壁結垢、積渣，通常采用浸泡、清洗的方法結合起來進行，效果較好。一般情況下，在停爐降溫降壓后，在爐管內上水進行浸泡24～48小時，然后通過反復排水、進水的方式對爐管內壁進行沖洗。清洗周期約為半年，但不會單獨（停車）進行，一般結合停車、檢修等情況同時進行。化學清洗則是根據內部沖洗后的結垢情況，確定是否進行。如果介質處理正常、運行狀況良好，一般不需要進行化學清洗。

（2）外壁結焦清理。對于外壁結焦、積渣情況，一般只能采用機械清理的方法進行處理。根據燃氣（一般是焦爐氣）種類及潔凈程度的不同，建議外壁清理的周期為1年。由于爐內爐管間距空間有限，清理工作較為困難，甚至有些部位無法清理到，但即使不能夠完全清理，也不會影響到安全運行。這種清理辦法只是進一步提高熱效率，在可操作的條件下，盡量防止爐管的失效。

2.6 水壓試驗

壓力管道水壓試驗是保證整個管道的承壓能力，保證在正常設計工況下安全運行。即使再全面的日常檢查，也只是對局部或重點部位進行了檢查、檢測，且不能排除局部在無法預料的特殊情況下的失效。而水壓試壓則可以完全“無死角”充滿整個管道，并通過高于工作壓力的水壓，使失效的爐管薄弱點暴露，達到徹底排查的目的，保證爐管在運行過程中的安全。一般水壓試驗壓力為設計壓力的1.25倍，保壓10min。如本文研究的爐管的設計壓力為2.6MPa，試驗壓力為3.25MPa。水壓試驗一般每3年進行一次。

3 防止爐管失效措施

從設計、采購、驗收、存放、預處理等多個環節把關，保證爐管管材的達標及完好。

嚴格執行安裝、檢測及驗收標準，保證施工質量。

加大日常維保及管理力度，增加檢查頻次、提高檢查標準、使用新的檢測技術，對爐管進行常規性檢查。

在工藝操作方面，要嚴格工藝參數控制，尤其是壓力、溫度的調整與控制。建議溫度控制在1040℃以下、壓力控制在2.6MPa以下。

做好對爐管內、外壁的清理工作，保證爐管換熱效果的同時，防止爐管結焦、結垢等現象的發生，且建議清理周期不大于1年。

定期做水壓試驗，全面檢查爐管的受壓情況，主動進行隱患排查及修復，可以減少運行過程中出現的泄漏，變被動維修為主動檢查。最佳水壓試驗周期為1次/3年。