原油加熱爐盤管清洗研究與應用

吳志虎，張 勇，弓朋斌

（西南油氣田塔里木油氣工程分公司，新疆庫爾勒 841000）

1 原油加熱爐現狀分析

某天然氣處理站原油穩定裝置原油加熱爐負責加熱原油后分離出原油中的輕組分進行原油穩定，是此原油穩定裝置中的關鍵核心設備。原油加熱爐設計熱負荷14.47 MW（采用單排管單面輻射圓筒型立式加熱爐），中心圓直徑6932 mm、總高39 414 mm；原油分4 路在對流室預熱進輻射室加熱后出爐（4 進4出每根獨立流程，每根管容積約4 m3）。加熱爐于2005 年建成投運，隨著裝置運行時間的延長，爐內各原油支管線出現了明顯的偏流現象，嚴重影響安全生產，初步判斷偏流的成因是加熱管內部結垢。根據管內流體判斷，結垢物應以原油高溫積碳生成的垢為主。原油加熱爐結構見圖1。

圖1 原油加熱爐結構示意

2 垢樣分析、實驗

因加熱爐爐管內垢樣只有割破爐管才能取出，因此選用從爐管出口匯管進泵前的過濾器內取出的脫落固體垢（此泵過濾器經常堵，堵塞物判斷為爐管脫落垢樣）作為試樣，垢樣呈片狀、黑色、厚度約2.0 mm，質地堅硬、密度大，浸泡不溶于水、酸液，難溶于堿液中，見圖2。

圖2 過濾器取出的垢樣

采用EDAX 及X-Ray 儀對垢樣成分進行分析，垢物中含有較多的O、Ca、S 和Fe 元素及少量的Na、Mg、Al 和Si元素，其主要成分為CaSO4，見表1。

表1 垢樣成分分析結果

3 溶垢實驗

3.1 清洗劑溶解性實驗

實驗數據見表2。使用1#、2#、3#、4#垢樣加入清洗劑+酸洗液后，通過3 次浸泡清除后，3#清垢劑除垢率達99%以上，符合清洗除垢標準要求，見圖3。

圖3 第三次清洗后3#、4#樣品

表2 不同清洗劑溶解性驗證試驗數據

3.2 酸洗液的安全性驗證

酸洗液緩蝕性能對比實驗數據見表3，其中，靜態腐蝕掛片實驗采用兩組平行樣取平均值（6 h），對比腐蝕速率。實驗結果：腐蝕速率遠低于標準SH/T 3547—2011 規定的6 g/m2·h，見圖4。

圖4 靜態緩蝕實驗掛片

表3 酸洗液緩蝕性能對比實驗數據

3.3 實驗結論

3#專用清洗液符合清洗除垢標準使用要求，酸洗液腐蝕速率控制在標準SH/T 3547—2011 規定6 g/m2·h 范圍內，符合使用標準要求。

4 清洗劑反應機理及技術思路

螯合反應是一種能和重金屬離子發生螯合作用形成穩定的水溶性絡合物，能提供氮原子和羧基氧原子與金屬配合，可以把需要配位的鈣離子緊緊包裹起來，生成極穩定的產物金屬-螯合物，可溶于水，螯合劑分子結構見圖5。

圖5 螯合劑分子結構

表面活性劑對污油污泥起浸潤、增溶、清凈、分散、乳化、去污、滲透、粘泥剝離作用；酸洗液對硫化物、亞硫酸鹽、碳酸鹽、氧化物起分解的作用；緩蝕劑對金屬表面的成膜保護、腐蝕防護、粘泥剝離起作用；鈍化液對金屬表面起磷化成膜的作用。

5 清洗工藝流程

根據加熱爐垢樣的性質及溶垢實驗結果，確定清洗流程及清洗工藝。

清洗工藝流程：排油→掃線→（第一次）硫酸鈣專用清垢劑→水沖洗→酸洗→水沖洗→（第二次）硫酸鈣專用清垢劑→鈍化→水沖洗→吹掃待用的處理。預計每次清洗，硫酸鈣專用清垢劑須循環浸洗2 次，第一次48 h，第二次30 h 左右；酸洗液須浸洗6～10 h（安全起見，控制總體時間）；鈍化6 h，觀察出液情況。清洗液第一次使用后回清洗罐中備用，第二次清洗須補充一部分未使用的專用清垢劑或酸洗液，補充后重復利用。

為實現上述工藝過程，根據爐前工藝管網和爐子的結構，需要將加熱爐原油進出口管道上的掃線管道改為清洗液進出口管道，用耐熱耐酸堿管線將清洗用的泵和配液槽與爐子連接起來，4 只U 形管形成串聯，即建立清洗工藝流程（圖6）。需配1 臺配液槽，分別配制硫酸鈣專用清垢劑、酸洗液、清水，用后清洗，連接清洗流程，閥門控制。

圖6 化學清洗工藝流程

通過實施化學清洗，達到清洗結垢70%以上，實現設備平穩運行的目的。

6 現場清洗實施過程

6.1 化學清洗操作規程

為確保清洗質量，化學清洗應嚴格實施以下工作。

（1）確定清洗工期后，關閉運行爐子的20 號、21 號閥，打開放污閥和緊急放空閥排放原油，然后進行掃線，最大限度地清除管線內余油。

（2）建立化學清洗站。根據流程圖，對接清洗流程、安裝清洗設備、完成后注水和啟動清洗泵，進行試驗，確保清洗系統的密閉性。

（3）根據清洗工藝，按硫酸鈣專用清洗劑、酸洗液、鈍化液順序，按工藝流程逐步清洗除去油垢、結焦、無機鹽垢等。清洗時，最好能實現正反洗交替進行，清洗過程中，加熱爐可間斷性地低負荷運行，將清洗液出爐溫度控制在50 ℃左右，以提高清洗液的清洗效果，縮短清洗時間。

（4）質量監控。每天化驗記錄清洗液的濃度和濁度、pH 值等技術參數，以及記錄爐子進出口管子上的溫度讀數。根據參數變化情況，加劑或加水調配清洗液，確保清洗液質量。

（5）鈍化處理。酸洗完成后，用鈍化液對管線進行鈍化處理，鈍化時間6～8 h。

（6）清洗時間。估計開始施工到清洗結束需6 d 左右。

（7）廢液處理。排放至甲方干化池自然降解。

6.2 工藝控制及記錄

（1）硫酸鈣專用清洗劑清洗48 h 后用清水清洗2 h。溫度：30 ℃，配專用清洗劑25%（4000 kg+清水12 000 kg），pH 值為8，循環清洗48 h。清洗結束后清洗液回收，第二次備用。補充清水沖洗2 h。清洗記錄見表4，現場取樣及濁度分析見圖7。

表4 專用清洗劑+清水沖洗記錄

圖7 清洗前后效果比較

溶液狀態：渾濁變至澄清。加熱爐內用清水沖洗，濁度為8 mg/L，使用硫酸鈣專用除垢劑后，濁度最大為8.95 g/L，有大量的鹽溶于清洗液中。現場取水樣觀察，從清洗前含油清澈→含油略渾濁→含油渾濁發黑，肉眼不能識別，表明溶液的濁度越來越大，污垢溶解量增大。清洗結束時循環罐口有大量的浮油和污垢（圖8）。

圖8 循環罐口清洗出的浮油和污垢

（2）酸洗9 h +清水沖洗。酸洗液配制：鹽酸（1500 kg）+L826（60 kg）+耐酸滲透劑（100 kg）+助溶劑（40 kg）+清水（14 t）≈16 t酸洗液（濃度10%）。

控制清洗溫度30 ℃以內，pH 值為1～2，溶液狀態清澈變至渾濁，循環清洗9 h。結束用清水沖洗，至pH 值為4 為止。酸洗期間，檢測循環罐口H2S 濃度為8～10 ppm（10-6），水色發紅，說明有鐵銹和硫化物污垢被清除。見表5、圖9。

表5 酸洗+清水沖洗記錄

圖9 酸洗液狀況

對酸洗液腐蝕效果的驗證：使用現場酸洗液，對20#鋼腐掛片蝕情況見表6、圖10。由評價數據可以看出，該酸洗液配方在短時間對金屬的腐蝕率遠低于工業管線酸洗標準SH/T 3547—2011 規定6 g/m2·h，符合安全高效清洗的范疇。

表6 腐蝕驗證數據

圖10 掛片腐蝕情況

（3）專用清洗劑二次清洗（36 h）。控制溫度：30 ℃，pH 值為8，使用第一次回收清洗液15 000 kg+專用清洗劑1000 kg，清洗液濃度為10%，循環清洗34 h。二次清洗記錄見表7，現場取樣見圖11。

圖11 二次清洗清洗液效果比較

表7 專用清洗劑二次清洗記錄

根據取樣時間先后順序，瓶中的水樣顏色由無色變淺直至深黑，專用清洗劑溶垢量越來越大，達到最大溶解度后，清洗液保持顏色；濁度（懸浮物）含量最大到2.1 g/L，再次清洗鹽類。

（4）鈍化6 h，清水沖洗3 h，掃線后準備投用。溫度35 ℃，pH 值為8，在專用清洗劑中投入聚磷酸三鈉50 kg 鈍化，循環6 h，清洗液排放徹底。清水替液清洗3 h，邊洗邊排放。

鈍化過程中保持pH≥8，清洗液顏色和濁度不變。結束后清水沖洗，清洗液由渾濁→澄清。清洗徹底后，pH 值約為7。見表8、圖12。

表8 鈍化處理數據

圖12 鈍化液效果

7 清洗效果

通過化學清洗后，原油加熱爐投運后盤管偏流問題得到了解決，裝置運行3 個月內未出現偏流現象,加熱爐運行平穩。

8 結論

（1）室內實驗驗證硫酸鈣專用清垢劑清垢效果99.2%；酸洗液平均腐蝕速率指標≤6 g/m2·h，符合標準指標要求。

（2）使用硫酸鈣專用清垢劑對加熱爐盤管進行兩次清洗，清洗液顏色、濁度變化明顯，循環罐口出現大量的油污及污垢，均表明藥劑去除系統的鹽類、油污等垢效果明顯。

（3）通過酸洗徹底去除加熱爐盤管中的硫化物、亞硫酸鹽、碳酸鹽、氧化物等污垢（循環罐口檢測H2S 濃度10 ppm（10-6））；酸化緩蝕劑對碳鋼的腐蝕防護作用顯著，現場檢測平均腐蝕速率1.012 g/m2·h，符合酸洗碳鋼設備的安全標準要求。

（4）通過現場實施的清洗→酸洗→二次清洗→鈍化的清洗流程，全面去除原油加熱爐盤管內的污垢，達到石油化工設備清洗SH/T 3547—2011 標準要求，符合清洗設計要求。

（5）原油加熱爐化學清洗后，3 個月內未出現偏流現象，清洗效果明顯。