加熱爐爐管損傷研究進展及展望

許永勃，王妍芝

(1.中國石油工程建設有限公司 青海分公司，甘肅 敦煌 736202； 2. 中國石油青海油田分公司 勘探開發研究院， 甘肅 敦煌 736202)

加熱爐是石油化工行業最常見的設備之一，該種類型設備主要承擔著原油及化工原料加熱的任務，在對石油及化工原料進行加熱的過程中，加熱爐爐管內的溫度相對較高，受到內部溫度、壓力以及其他因素的影響，加熱爐的爐管非常容易出現損傷問題，在爐管出現損傷問題以后，不但會使得加熱爐的運行效率受到一定的影響，而且還容易引發其他類型的安全問題，由此可見，防止加熱爐的爐管出現損傷問題十分重要。為了防止加熱爐的爐管出現損傷問題，就必須對加熱爐爐管損傷出現的機理進行深入研究，以此才能制定更好的防護方案。目前，國內外學者已經對加熱爐爐管損傷問題進行了深入研究，但是研究過程中仍然存在一定的問題，這些問題的存在對于該領域的發展而言十分不利。針對此問題，本次研究從加熱爐爐管損傷的危害出發，對加熱爐爐管損傷問題的研究進展進行深入研究，發現該領域研究中存在的問題，并從多個角度出發提出對未來研究的相關建議，為推動加熱爐爐管損傷研究的進一步發展和間接保障加熱爐的運行安全奠定基礎。

1 加熱爐爐管損傷危害性分析

對于加熱爐而言，與其他設備不同，該種設備在出現失效問題以后是很難通過肉眼察覺的，在另一方面，如果加熱爐的爐管出現問題，就必須對爐管進行更換，以此防止因爐管損傷引發更大的危害，因此，使用加熱爐的企業必須制定專門的加熱爐維修周期。我國某企業在對加熱爐進行檢修的過程中，在對加熱爐進行金相檢測以后發現，加熱爐的爐管內存在嚴重的滲碳現象，這說明該加熱爐在使用一段時間以后已經出現了嚴重的爐管損傷問題，加熱爐的運行性能也必然會出現衰退，為了保障該加熱爐的安全運行，就必須對爐管進行更換。

在加熱爐日常使用的過程中，受到爐內壓力和溫度等多重因素的影響，會在加熱爐爐管的內壁上產生眾多的焦炭，此時會使得加熱爐內的溫度持續升高，溫度可以升高到700～1 500 ℃，受到高溫作用的影響，加熱爐的內壁會出現氧化損傷問題。對于加熱爐的爐管而言，在使用的過程中受到氧化作用的影響，很可能會出現減薄、裂紋以及金相變化等問題。例如，隨著加熱爐內碳化物的不斷聚集，加熱爐的金屬元素可能會重新分配，此時加熱爐的金屬機械性能就會出現一定的變化，加熱爐的韌性、強度以及抗高溫的能力都會出現衰退。

2 加熱爐爐管損傷研究進展

2.1 腐蝕損傷

1)高溫氧化減薄

對于加熱爐的爐管而言，需要長時間在高溫的環境下工作，受到氧化作用，非常容易出現氧化腐蝕問題，一般情況下，加熱爐的爐管都是由碳鋼組成，當所處的溫度達到480 ℃以后，就會出現爐管氧化腐蝕問題，隨著溫度的進一步升高，在爐管表面會形成一層氧化保護膜，保護膜的存在會使得其腐蝕速率降低，如果碳鋼中含鉻量相對較高，則此時產生的保護膜保護作用就越強。2008年，我國某單位的加熱爐出現了爐管穿孔問題，在對爐管進行分析后發現，出現了嚴重的高溫腐蝕現象，這就是典型的由于高溫氧化減薄引起的爐管損傷問題。

2)高溫硫化腐蝕

如果加熱爐處于正常的工作狀態，爐管內的溫度并不是太高，此時并不會出現硫腐蝕問題，但是如果加熱爐內的燃料無法正常的流動，爐管就會出現干燒問題，使出現硫腐蝕的幾率大大增加，硫腐蝕的出現與加熱爐的材質以及燃料中的硫含量具有很大的關系。2006年，我國某單位生產的一種加熱爐在大慶油田使用的過程中出現了腐蝕開裂問題，同時，爐管內還出現了著火現象，這是我國自行生產的設備首次出現該種問題，通過后期的研究發現，該種問題主要是由于奧氏體不銹鋼爐管的材質所引起。

3)晶間腐蝕

對于金屬而言，由于晶粒和其內部的成分存在一定的差距，會使得晶粒之間存在一定的內力，此時非常容易出現晶粒間腐蝕問題，為了解決該問題，國內外都已經開發出了具有穩定性能的不銹鋼，進而使得該問題得到了解決，同時，國內外還專門為此開發出了VOD金屬處理法和AOD金屬處理法，這些方法使得晶間腐蝕問題基本不再出現。

4)高溫氫腐蝕

對于加熱爐的爐管而言，受到其高溫作用的影響，氣體中的氫組分將會變得十分不穩定，進而與爐管金屬中的碳組分產生化學反應，這種化學反應基本都是出現在金屬的晶粒之間，進而使得金屬的強度得到一定的下降，嚴重時還會出現爐管斷裂問題，這種現象還可以稱為脆化現象。2013年，我國某單位的加熱爐爐管就出現了大量的裂紋，進而引發了泄漏問題，通過后期的事故分析發現，這主要是由于燃料中含有大量的氫化物，產生了應力腐蝕開裂現象。

2.2 蠕變損傷

當金屬長期處于高溫環境中工作時，且其應力長期處于不變的狀態，此時金屬會出現塑性變形問題，最終會引發金屬破裂現象，爐管出現該種損失問題的基本條件為爐管所處的溫度相對較高、應力相對較大且爐管使用的時間相對較長。通過對爐管的蠕變損傷問題進行研究后發現，該種問題的出現可以分為三個階段，在第一個階段中，爐管將會出現初始的蠕變問題，隨著時間的推移，蠕變現象將會加快；在第二個階段中，爐管將會處于穩定蠕變狀態，此時隨著時間的推移，蠕變現象的速度相對較慢，當蠕變現象達到總蠕變的80%時，就會進入到第三個階段，此時隨著時間的推移，蠕變的增加速度相對較大，最終引發蠕變斷裂問題。20世紀末，我國某單位使用的管式加熱爐就出現了嚴重的爐管斷裂問題，通過對后期事故原因進行分析后發現，由于爐管使用時間相對較長，爐管內已經產生了嚴重的氧化層，進而使得爐管長期處于高溫狀態下，蠕變現象十分嚴重，最終引發了斷裂問題。

2.3 材質劣化

1)滲碳

當金屬材料在高溫狀態下長期與含碳類物質接觸時，碳元素會慢慢的向金屬的內部擴散，當金屬內的含碳量達到一定的數值以后，金屬內部就會產生碳化物顆粒，這是引發金屬開裂的重要原因。對于加熱爐而言，石油化工中使用的加熱爐一般都是處于高溫的狀態，燃料中含有一定量的碳化物，這使得加熱爐非常容易出現滲碳損傷問題。

2)475 ℃脆性

部分加熱爐的爐管是由高鉻奧氏體不銹鋼制作而成，該種類型的爐管在500 ℃左右的環境中工作時，其強度會出現升高現象，但是其韌性會出現一定的下降，其耐腐蝕的能力也會出現嚴重的下降，該種現象在475 ℃的工作環境中十分常見，因此該種損失問題可以稱之為475 ℃脆性損失問題，一般情況下，當爐管材料中的鉻含量相對較高時，則出現該種損傷問題所需要的加熱時間就越短。

3)σ相脆化

當爐管材料為奧氏不銹鋼時，在長期高溫的環境中工作，金屬內部會產生Fe和Cr兩種元素所組成的化合物，該種類型化合物主要是由鐵素體轉變而成，在轉變的過程中，鐵素體內會產生大量的奧氏體，然后轉變為σ相，當爐管材料中的Cr元素含量超過18%以后，當溫度達到600 ℃時就會出現σ相，這是一種脆相，σ相的存在會使得爐管的抗沖擊能力下降，同時也會使得爐管的抗腐蝕能力下降。

2.4 外(熱)應力引起的變形

1)爐管嚴重彎曲

一般情況下，爐管出現彎曲問題并不能說爐管已經被破壞，但是該種問題的出現會使得加熱爐的運行受到嚴重的影響，在加熱爐運行的過程中，如果迎火面金屬的膨脹量相對較大，此時爐管就會出現嚴重的彎曲現象，爐管的應力就會逐漸在高溫作用中松弛，即使此時加熱爐停止工作，爐管也無法恢復到原來的狀態，同時，如果爐管出現了彎曲問題，此時繼續使用該種爐管會使得彎曲的速度增加，當曲率達到一定的數值以后，加熱爐的爐管就會出現斷裂現象。

2)爆裂破壞

2011年，我國某單位的加熱爐在使用的過程中出現了嚴重的爐管爆裂問題，進而在爐管內也出現了起火問題，在后期事故原因調查的過程中發現，由于爐管的外表面存在一定的缺陷損傷，加上高溫的作用，進而引發了該問題，爐管在日常運行的過程中，將會受到環向應力和軸向應力的共同作用，缺陷的存在會使得爐管的應力大幅降低，此時如果加熱爐的運行壓力升高，在高溫的作用下，缺陷處的裂紋會加快擴展，當裂紋擴展到一定范圍時，加熱爐將無法承受應力的作用進而引發爆裂問題。

3 加熱爐爐管損傷研究存在的問題分析

1)未充分考慮加熱爐內介質的影響

加熱爐可以根據使用現場的不同分為多種類型，每種類型加熱爐所處的外界環境以及使用的燃料各不相同，燃料中組成成分的不同會對加熱爐爐管損傷問題產生不同的影響，例如燃料中含有的硫化物、氫化物以及碳化物等成分的不同，會給加熱爐的爐管帶來不同的損失問題，盡管目前對于爐管損傷問題的研究較為全面，但是在研究過程中對加熱爐內介質的考慮并不全面，這不利于加熱爐使用企業根據自身的實際情況制定合理的防護方案。

2)未進行多種損傷因素聯合影響研究

上述分析中指出，目前的加熱爐損傷問題產生的原因相對較多，但是從實際來看，加熱爐爐管的損失基本都是由多種因素共同作用的結果，或者在加熱爐爐管使用的前期階段，已經受到了某一作用產生了損傷問題，但是并沒有出現風險事故，在后期階段又受到另一種因素的影響進而引發了風險事故，在事故調查的過程中可能僅考慮了后者因素的影響，并沒有考慮前一因素，這使得整個加熱爐爐管損傷問題的研究十分不全面，在后期加熱爐爐管使用的過程中，提高加熱爐爐管質量所采取的相關措施也將變的不全面，這不利于加熱爐領域的進一步發展。

3)未考慮加熱爐內部變化對損傷的影響

在加熱爐使用一段時間以后，加熱爐內部必然產生了嚴重的變化，例如如果加熱爐使用的燃料為原油，可能會在加熱爐的內部產生嚴重的蠟沉積問題，蠟沉積問題的出現是否會對爐管損傷產生影響不得而知，同理，加熱爐內其他內部現象的變化是否會對爐管損傷產生影響也不得而知，這說明目前對于加熱爐損傷問題的研究并沒有考慮加熱爐內部變化的影響。

4)研究偏于理論

目前對于加熱爐爐管損傷問題的研究主要是從金屬損傷問題的角度出發對其進行研究，盡管在研究的過程中也結合了實際的加熱爐爐管損傷現象，但是結合的力度不足，我國每年都會出現加熱爐爐管損傷問題，并沒有專業的研究人員對加熱爐爐管損傷問題的原因進行深入的統計和分析，這使得大量的研究成果過于偏向于理論，在實際中并不適用。

4 加熱爐爐管損傷研究展望

1)充分考慮介質因素對爐管損傷的影響

針對介質的影響因素問題，研究人員需要根據加熱爐運行現場的實際情況不同以及加熱爐所使用的燃料問題，對介質影響進行深入研究，研究的重點在與介質中硫化物、氫化物以及碳化物等物質的存在對加熱爐爐管內部損傷的影響和外界環境中氣體組分的不同對于加熱爐爐管損傷問題的影響，同時，還需要在研究的過程中充分考慮這些物質的綜合影響，根據研究結果，制定最合理的防護措施，以便于加熱爐使用企業可以根據自身的實際情況選擇最合理的防護措施，全面保障加熱爐運行過程中的爐管安全。

2)應用仿真軟件進行多影響因素聯合作用研究

多影響因素聯合作用的研究難度相對較大，對于單因素的研究而言，研究人員可以通過實驗的方法進行研究，但是對于多因素影響而言，研究人員很難對實驗環境進行準確的把控，同時研究所需要的成本相對較高，針對此問題，研究人員可以充分使用各種類型的仿真軟件，例如ANSYS等，通過軟件模擬的方式，對多因素聯合影響進行充分研究，其研究結果必然會推動加熱爐爐管損傷因素的全面發展，同時，這對于爐管的使用保護也十分有利。

3)研究過程考慮其他因素的影響

針對其他因素的影響問題，研究人員在進行深入研究的過程中，首先需要考慮加熱爐內所使用的燃料，考慮每種類型的燃料在使用的過程中是否會產生沉積物，結合沉積物的主要成分，討論這些成分是否會對加熱爐爐管損傷問題產生重要影響，通過該種研究，可以指導加熱爐使用企業對加熱爐內的燃料進行合理的更換，以此防止出現爐管損傷問題。

4)結合實際進行研究

事實上，我國和國外發達國家每年都會出現大量的加熱爐爐管損傷問題，但是并沒有研究學者對爐管損傷問題的原因進行統計，如果進行實際統計，通過大數據分析的方法，必然會發現實際的損失原因和理論研究結果存在一定的出入，同時，結合實際情況進行的研究對于下一步制定爐管防護方案將更加有利，因此，建議相關學者在接下來的研究中結合實際情況進行。

5 結 語

在本次研究中，首先對加熱爐爐管損傷問題出現以后所產生的后果進行了深入探討，對目前加熱爐爐管損傷問題引發的原因進行了現狀研究，提出了目前研究中存在的問題，最后針對這些問題提出了該領域未來的發展方向，通過本次研究主要可以得出以下四條結論：

(1)與其他設備不同，加熱爐爐管在出現失效問題以后是很難通過肉眼察覺的，且出現損失問題后不但會使得加熱爐的運行效率嚴重下降，同時，還會引發更加嚴重的現場風險問題，在爐管出現損傷問題以后，并不能通過維修的方式進行解決，只能對爐管進行更換；

(2)目前的研究結果顯示，引發爐管損傷問題的原因主要可以分為四大類，分別是腐蝕損傷、蠕變損傷、材質劣化以及外(熱)應力引起的變形，腐蝕損失可以分為高溫氧化減薄、高溫硫化腐蝕、晶間腐蝕以及高溫氫腐蝕，材料劣化主要可以分為滲碳、475 ℃脆性以及σ相脆化，外(熱)應力引起的變形主要可以分為爐管嚴重彎曲以及爆裂破壞；

(3)目前對于加熱爐爐管損傷問題的研究主要存在四大問題，分別是未充分考慮加熱爐內介質的影響、未進行多種損傷因素聯合影響研究、未考慮加熱爐內部變化對損傷的影響以及研究偏于理論，這些問題的存在對于加熱爐爐管領域的發展十分不利；

(4)未來相關學者需要從充分考慮介質因素對爐管損傷的影響、應用仿真軟件進行多影響因素聯合作用研究、研究過程考慮其他因素的影響以及結合實際進行研究四個角度出發，分別采取多項有效措施，加強加熱爐爐管損傷問題的研究，以便加熱爐使用企業可以采取最合理的防護方案，加強爐管保護，防止出現風險問題。