延遲焦化加熱爐檢驗檢測及整改

摘 "要""在停車檢修期間對延遲焦化加熱爐爐管的安全狀況進行分析，針對可能的失效模式進行檢驗檢測并提出了整改措施，最后對保證設備安全運行進行了一些討論。

關鍵詞""焦化加熱爐 "爐管失效 "檢驗檢測 "Cr-Mo鋼" " " " DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406021

中圖分類號""TQ054""""""""""""""""""文獻標志碼 "B""""""""""""""""""文章編號 "0254-6094（2024）06-0000-00

焦化加熱爐是延遲焦化核心設備之一，具有結焦速率低、可長周期運行的特點。焦化加熱爐能快速將工藝介質加熱到所需的焦化溫度（分餾塔底油、焦化油或聯合油的溫度處于300～340 ℃范圍內），接著被加熱爐進料泵抽出后打入加熱爐的對流段，流經輻射段被快速加熱到495～505 ℃后經四通閥入焦炭塔底部。由于焦化加熱爐爐內溫度較高，且伴有汽化和復雜的裂解及縮合反應，因此極易導致爐管內部結焦。結焦是爐管內的油品高溫發生熱裂解形成游離碳，并在內壁上堆集的現象，主要發生在減壓爐、焦化爐、減粘裂化爐、潤滑油加熱爐及乙烯裂解爐等裝置上。結焦會導致爐管溫度快速升高，而高溫環境又會加劇爐管腐蝕和高溫氧化，使得爐管高溫強度降低，造成爐管鼓包甚至破裂；結焦還會升高管內壓降，導致裝置性能惡化，有時甚至需要提前停車。為此，筆者對結焦爐管的安全狀況進行檢驗檢測及結果分析并提出整改措施，從而保證設備的安全長周期運行。

1 "概況

文中檢驗的焦化爐屬于我國少量的仍在運行的早期單面輻射焦化爐，由于其流速低，受熱面易局部過熱導致熱強度不均勻，因此極易發生結焦。該焦化加熱爐屬立式管式加熱爐，設備總質量404.33 t；輻射段介質為減壓渣油，注水段介質為過熱蒸汽；爐管主要材質為1Cr5Mo（輻射段）、1Cr5Mo（對流段、注水段）；介質流量為80 000 kg/h（輻射段）、1 600 kg/h（對流段、注水段）；輻射段最高工作溫度500 ℃，最高工作壓力4.0 MPa；輻射管規格為f127 mm×10 mm（光管），共92根，對流管規格為f152 mm×10 mm（釘子管），共76根，注水管規格為f89 mm×6 mm（光管），共44根；總熱效率93%。該焦化爐自投用以來，對爐管進行了多次停車檢驗，歷次檢驗均采取對嚴重受損爐管逐步更換的措施從而保證設備的安全運行。

2 "檢驗方案

根據以往檢驗經驗并查閱相關資料，焦化爐爐管可能的失效模式有以下6點：

a. 球化。Cr-Mo鋼的金相組織球化不同于普通碳鋼組織球化，其球化前原始組織為粒狀貝氏體，該組織在長期高溫服役環境下會轉變為球化碳化物。球化現象會隨著高溫服役時間的延長而嚴重。而在服役時間相同的情況下，服役溫度也會對球化產生重要影響，即溫度高的爐管迎火面材質球化程度要嚴重于溫度低的爐管背火面材質[1]。

b. 高溫脫碳。長期高溫服役環境下Cr-Mo鋼中的碳與外界物質發生反應，導致Cr-Mo鋼表面碳含量減少，整體強度降低。溫度越高，接觸或使用時間越長，脫碳越嚴重[2]。脫碳后的合金會出現材質軟化現象，導致室溫抗拉強度和蠕變強度降低，且多發生在爐管的迎火面外表面。

c. 高溫氧化腐蝕。爐管在538 ℃以上時會發生嚴重的高溫氧化腐蝕[2]。爐管高溫氧化是一種化學腐蝕，氧氣和金屬發生反應生成一種疏松的氧化物膜，它不能阻止高溫氧化反應的發生，而且隨著氧化膜不斷剝離，腐蝕層不斷加深，壁厚逐漸減薄，嚴重危及爐管的安全性。

d. 沖刷減薄。沖刷減薄是管道失效的一種普遍現象，是流體與管壁之間由于高速相對運動而引起的管壁減薄失效現象，當流體具有腐蝕性時，該現象更為嚴重[2]。沖刷減薄可能發生在爐管內表面。

e. 高溫硫化物腐蝕。高溫硫化物環境下爐管與硫化物反應產生腐蝕現象。高溫硫化物腐蝕以均勻腐蝕為主，偶爾出現局部腐蝕、沖蝕。該腐蝕通常在工作溫度超過260 ℃時發生，且腐蝕速度和工作溫度成正比關系[2]。

f. 蠕變。在高溫服役環境（低于屈服應力載荷）下，爐管隨著使用時間的增加會緩慢發生塑性變形，使得爐管實際承載面積減小，應力升高，最終導致爐管斷裂失效[2]。焦化爐管屬于在蠕變溫度閾值以上運行的設備，因此需觀察其有無明顯的鼓脹、伸長等變形。

綜合以上失效模式，檢驗項目選擇爐管宏觀檢驗、壁厚測定，爐管對接焊縫超聲和滲透檢測，重點對爐腔內輻射管段迎火面進行金相和硬度檢驗。

3 "檢驗檢測

3.1""宏觀檢驗

爐腔內輻射管段外壁迎火面氧化腐蝕較嚴重，氧化皮厚度約1 mm；檢查中未發現明顯的鼓脹、伸長等變形；爐管氧化腐蝕在正常范圍內，無蠕變現象。

3.2""壁厚測定

爐外東側輻射管直管、彎頭減薄，實測最小壁厚8.3、8.4 mm。爐外西側輻射管、注水管彎頭減薄，實測最小壁厚8.0、4.4 mm。如圖1所示，編號為J21、J22、J33～J35、J37～J39、J56～J59的爐內輻射管減薄，實測最小壁厚8.0 mm。查閱相關資料，上述爐管均屬于未更換過的爐管，可見高溫氧化腐蝕、高溫硫化物腐蝕和沖刷導致的壁厚減薄并不嚴重。

3.3""金相及硬度檢驗

對使用溫度較高的輻射管爐內段迎火面進行金相檢驗，每根爐管檢測兩處母材。檢驗方法為：砂輪機粗打磨除去氧化層，經機械拋光、7%硝酸酒精擦拭后采用PTI-5500型金相顯微鏡進行分析。

3.3.1""淺表面（約0.2 mm）金相檢驗

以編號J21爐管迎火面母材為例，其金相組織為鐵素體+球狀碳化物，大量碳化物顆粒聚集于晶粒周邊，呈鏈狀分布于晶界，鐵素體晶粒內碳化物減少（圖2a）。在金相檢驗部位進行硬度檢測，最小硬度為108HB，大幅低于GB/T 9948—2017中規定的硬度179HB。因本次檢驗無法取橫截面試樣，只能通過反復多次打磨，每次打磨約0.2 mm進行金相觀察，去除約1.0 mm后發現脫碳層基本消除，金相組織為鐵素體+球狀碳化物，碳化物數量明顯增多且隨打磨深度的繼續增加未見明顯變化（圖2b）。

3.3.2 "除去脫碳層后的金相檢驗

除去脫碳層后對爐腔內輻射管逐根進行金相檢驗，每根輻射管在迎火面抽查兩處母材，經檢驗爐管可歸納為以下3類：

a. 自投用后未更換過的爐管，以編號J22爐管為例，迎火面母材金相組織為鐵素體+球狀碳化物+粒狀貝氏體，可見大量呈鏈狀分布的碳化物顆粒，少數已聚集長大，晶粒內的碳化物減少，粒狀貝氏體已基本轉變為球狀碳化物，球化等級5級（圖3）；在迎火面金相檢驗部位進行硬度檢測，最小硬度為105HB，大幅低于標準規定的硬度值179HB，因此需要考慮能否滿足設計條件及因結焦而導致的超溫環境下的強度要求。

b. 歷次檢驗中經更換，實際使用年限超過兩個定期檢驗周期（4年）的爐管，以編號J31爐管為例，此類爐管迎火面母材金相組織為鐵素體+球狀碳化物+粒狀貝氏體，球化等級3級，晶粒中還有較多碳化物呈彌散分布，晶界上碳化物析出較少，且未聚集長大，粒狀貝氏體形態減少（圖4）；在迎火面金相檢驗部位進行硬度檢測，最小硬度為150HB。

c. 上次檢驗中剛更換，實際使用年限在一個定期檢驗周期內的爐管，以編號J51、J62爐管為例，此類爐管迎火面母材金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體+少量球狀碳化物，粒狀貝氏體轉化為球狀碳化物較少，組織基本正常（圖5、6）。在迎火面金相檢驗部位進行硬度檢測，根據粒狀貝氏體轉化為球狀碳化物的程度，硬度值分布在160HB～180HB。其中，圖5為編號J51爐管迎火面母材金相組織，該區域最小硬度為160HB；圖6為編號J62爐管迎火面母材金相組織，該區域最小硬度為180HB。可見同等條件下粒狀貝氏體轉化為球狀碳化物越多，爐管硬度越低。

3.4""滲透檢測

采用DPT-5型滲透劑，對爐腔內輻射管、爐腔外輻射管、對流管、注水管進行抽查，發現爐外西側注水管R99母材存在多處氣孔，R108對接焊縫存在1處氣孔，按相關標準擴檢后未發現其他缺陷。以上缺陷均經過具有相關返修資質的單位修復后復檢合格。

3.5""超聲檢測

采用CTS-9009超聲檢測儀按照標準NB/T 47013.3—2015對滲透檢測部位進行100%檢測，經檢測氣孔深度約為1.5 mm，其他部位未發現缺陷。

4 "結果分析

焦化爐管檢驗中發現的問題主要有高溫氧化腐蝕、高溫硫化物腐蝕、沖刷導致的壁厚輕微減薄、高溫脫碳導致的爐管外表面軟化、1Cr5Mo鋼發生碳化物球化導致的硬度及強度降低。其中，高溫氧化腐蝕、高溫硫化物腐蝕和沖刷導致的壁厚輕微減薄在正常情況下不會對爐管的安全運行產生影響，但是結合高溫脫碳導致的爐管外表面軟化及球化導致的硬度及強度降低后，會對爐管的安全裕度產生重要影響。

粒狀貝氏體向球狀碳化物的轉變不但會導致爐管抗拉強度和屈服強度降低，還會導致蠕變極限和持久強度下降。檢驗過程中經常不具備強度的試驗條件，就需要一種比較準確的硬度和強度之間的換算關系，通過測定硬度近似求出一個比較準確的強度值。常用的強度換算公式為：強度=3.28×HV-221（適用于母材）；對于硬度不大于175HB的材料，常用的換算公式為：強度=3.55×HB?？梢?，材料的強度越高，抗塑性變形能力越強，硬度值就越高。然后，根據相關標準中常用材質的抗拉強度與維氏硬度、布氏硬度、洛氏硬度、肖氏硬度的對照表，編號J21、J22、J33～J35、J37～J39、J56～J59爐管迎火面最小硬度降為105HB，對應的抗拉強度約373 MPa，大幅低于標準規定的460 MPa；參考相關研究和試驗情況，1Cr5Mo材質焦化爐管在低于120HB的硬度下，屈服強度降至最低121 MPa[1]，與標準規定的不小于210 MPa[3]降低了42%。許用應力=屈服強度/安全系數，說明許用應力和屈服強度之間為正比關系，以1Cr5Mo材質為例，在最大工作溫度500 ℃下，材料許用應力為83.2 MPa，根據該正比關系得出1Cr5Mo材質焦化爐管在低于120HB的硬度下許用應力降低42%，計算得出許用應力約48.3 MPa。

以材質劣化較嚴重及壁厚減薄較嚴重的爐管（編號J21、J22、J33～J35、J37～J39、J56～J59爐管）為例，實測最小壁厚8.0 mm，硬度最小值為105HB，校核溫度取最大工作溫度500 ℃，校核壓力p取設計壓力4.0 MPa，材質為1Cr5Mo，許用應力[s]t取48.3 MPa。設焊縫接頭系數Ej=1.0，系數Y=0.4，爐管外徑D0=127 mm，腐蝕裕量C=1.0 mm，一個檢驗周期為4年，則計算得到計算厚度ts為：

考慮上脫碳層深度約為1 mm，計算結果表明，正常工況下爐管仍能滿足設計條件下的強度要求，但是安全裕度較小。查閱相關資料，某煉油企業延遲焦化裝置在一個清焦周期（10個月）后，兩臺加熱爐陸續出現部分爐管貼片熱偶達到650 ℃清焦臨界條件的情況。根據GB/T 9948—2017中的規定，工作溫度達到500 ℃以上后，材料許用應力會隨著溫度的升高明顯降低，例如500 ℃時材料的許用應力為83.2 MPa，則當溫度達到550 ℃時許用應力降為29.9 MPa，溫度達到600 ℃時許用應力降為20.6 MPa?？梢姡祟悹t管在較小的安全裕度下無法保證設備的安全運行，本次檢驗建議對該批爐管進行更換處理。

5 "結束語

焦化爐管在停車檢修時應重點關注輻射管的宏觀尺寸檢驗、硬度檢驗及金相檢驗，重點關注爐管的蠕變、球化等損傷情況，以備及時更換受損爐管，保證設備的安全運行。加熱爐日常運行中嚴禁超溫超壓，爐管表面安裝在線監測儀，以便及時調整爐內溫度。及時檢查燃燒管的安裝位置，以防傾斜靠近發生舔管現象，避免爐管局部溫度過高。

使用單位應當不斷關注焦化加熱爐爐管結焦程度，通過先進的工藝控制焦化加熱爐爐管結焦速率，延長裝置運行周期。停車檢修期安排有資質的檢修單位對爐管進行有針對性的檢驗，及時發現缺陷，以防事故發生。

從國外引進大型雙面輻射延遲焦化爐后，我國大型化焦化加熱爐快速發展，加熱爐的設計由早期的單面輻射、低流速、低表面平均熱強度爐型，逐漸發展至雙面輻射、高流速、高表面平均熱強度爐型。焦化雙面輻射箱式爐采用雙面輻射加熱，能夠使工件均勻加熱，提高加熱效率，采用模塊化設計，易于維護和更換，降低了維護成本，同時配備有智能控制系統，能夠實時監控和調節爐內溫度，提高溫度控制精度，保證生產過程安全可靠。但也存在一定的不足：

a. 投資大。大型雙面輻射延遲焦化爐是一種大型設備，其建設和購買成本較高，需要大量的資金投入。

b. 能耗高。由于該設備的運行需要大量的熱量，因此能耗較高，運行成本較大。

c. 操作復雜。大型雙面輻射延遲焦化爐的操作比較復雜，需要專業的操作人員和技術支持，以確保設備的正常運行和安全生產。

d."維護困難。由于該設備的結構和材質較為特殊，因此維護難度大，需要專業的維修人員和技術支持。

e. 環保問題。大型雙面輻射延遲焦化爐在生產過程中會產生大量的廢氣和廢水，如果處理不當，會對環境造成污染。

鑒于以上問題，在選擇和使用大型雙面輻射延遲焦化爐時，需要充分考慮其弊端，并采取相應的措施來降低負面影響。同時，也需要不斷改進和升級設備，以提高其能效和環保性能，促進石油化工行業的可持續發展。近年來，為了延緩結焦我國研究開發了一種階梯爐。階梯爐輻射室內的熱場分布更為均勻，爐管表面最大熱強度大為降低，具有較高的平均熱強度，在延緩結焦方面取得了顯著成果。

分析已往鍋爐爆炸事故，發現爐管泄漏、爆裂是導致事故發生的主要原因，因此要求使用單位在運行過程中時刻關注設備結焦情況，禁止超溫超壓使用，同時要求檢驗單位在停車檢修過程中充分了解設備的失效模式，并有針對性地制定檢驗方案，保證檢驗質量。檢驗重點主要包括以下7方面：

a. 外觀質量檢驗，包括管子的表面和表面缺陷，例如裂紋、氣孔、殼等。管子表面應平整、光潔，無明顯的溝槽或磨損痕跡，表面不應有太多的氧化物、燒結物或銹痕等。

b. 尺寸檢驗，包括管子的直徑、壁厚等，應符合設計要求和相關標準要求。

c."材質檢驗，主要檢查管子的材質是否符合要求，可以采用光譜分析、硬度測試等手段進行檢測。

d. 采用超聲波、射線、磁粉及滲透等方法對管子進行無損檢測，以發現表面及內部的缺陷和損傷。

e."對管子進行耐壓試驗，以檢驗其承受壓力的能力。

f."對管子進行彎曲試驗，以檢驗其承受彎曲的能力。

g."對管子進行熱處理工藝檢查，以檢查其熱處理工藝是否符合要求。

綜上，設備的安全長周期運行需要使用單位、檢驗單位雙方共同努力，為設備的安全運行貢獻力量。

參 "考 "文 "獻

[1] 董雷云，劉長軍，王志文.延遲焦化加熱爐輻射管材質損傷分析[J].壓力容器，2002，19（4）：40-44.

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.承壓設備損傷模式識別：GB/T 30579—2022[S].北京：中國標準出版社，2022.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.石油裂化用無縫鋼管：GB/T 9948—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

（收稿日期：2024-01-02，修回日期：2024-11-15）

作者簡介：崔艷蘭（1986-），高級工程師，從事壓力容器、壓力管道定期檢驗工作，cuiyanlan@qscce.com。

引用本文：崔艷蘭，常德衛，張中利.延遲焦化加熱爐檢驗檢測及整改[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.