加熱爐燃燒器及附屬管線腐蝕分析與治理

摘""""" 要：某石油化工裝置二甲苯重沸爐在運行期間加熱爐燃燒器及燃料氣管線頻繁發生泄漏，給裝置安全生產帶來巨大安全隱患。針對加熱爐燃燒器及附屬燃料氣連接管線泄漏情況，通過現場勘察，結合化驗結果進行分析，同時對后期泄漏治理提出可行性方案。

關" 鍵" 詞：燃料氣；加熱爐燃燒器；管線失效；泄漏

中圖分類號：TQ050"""""" 文獻標志碼：A""""" 文章編號：1004-0935（2024）11-1786-04

某石油化工裝置二甲苯塔重沸爐為輻射對流型立管立式圓筒爐，燃燒器噴槍安裝于加熱爐底部，燃燒器型號為CCFB-IV3.2，額定負荷3.2 MW，每個燃燒器由兩支半圓形噴槍組成，共有8只噴槍，各噴槍之間通過鋼板連接作為加強筋固定于火盆，噴槍下部連接集合管，燃料氣主管以對焊方式與集合管相連接，燃燒器技術參數如表1所示、詳細結構如圖1所示。

1" 泄漏情況

2021年二甲苯塔重沸爐燃燒器噴槍及附屬燃料氣連接管線頻繁發生泄漏，泄漏位置集中，期間對泄漏情況進行統計，如表2所示、設備失效情況如圖2、圖3所示。

2" 泄漏原因分析

此次發生的介質泄漏主要分布在分支噴槍與集合管焊接位置；分支噴槍與固定筋板焊接位置；附屬燃料氣連接管線直管段與彎頭焊縫附近。發生失效部位均為奧氏體不銹鋼材質。管線的失效主要有以下幾方面原因：使用材料質量缺陷、管線內部介質腐蝕、管線應力開裂等^[1]

2.1" 材料質量缺陷

燃料氣連接管線及彎頭使用材質為S30403，燃燒器分支噴槍使用材料材質為S31008通過光譜儀分別對燃燒器分支噴槍、連接管線、彎頭進行檢查核對，詳細化學成分及對比如表3所示。

從表3可以看出光譜儀檢測燃燒器分支噴槍與連接管線元素組分含量滿足《GB/T 20878—2007》標準要求，故排除由于材料材質缺陷導致管線泄漏。

燃料氣管線一般選用不銹鋼或者碳素鋼材質，本裝置連接管線選用S30403材質，屬低碳奧氏體不銹鋼，具有良好的耐熱性，耐腐蝕性，因含碳量較低，在焊接后焊縫區域析出碳化物較少，且加熱爐管線焊縫較多，空間有限，不能滿足對焊縫進行焊后熱處理，選用S30403能夠較好地避免焊后晶間腐蝕的發生^[2]；碳素鋼的耐蝕性較差，為預防燃料氣中帶有腐蝕性介質對管線造成腐蝕，本裝置的連接管線未使用碳素鋼，故選用S30403材質作為連接管線，選材恰當。

燃燒器分支噴槍選用材質為S31008，屬高鎳奧氏體不銹鋼，具有較好的耐蝕性，一般多用作耐熱鋼，燃燒器噴槍直接接觸火焰，溫度較高，但本次發生腐蝕部位位于分支噴槍焊縫區域，因此可判斷與燃燒器噴槍的使用材質并無關系。

2.2" 介質腐蝕

燃料氣中含氯、硫等酸性介質，硫、氯含量高會對管線產生腐蝕，因此對燃料氣組分進行整理分析，詳細平均數據如表4。

由表4可看出發生材料失效燃料氣中硫化氫含量體積分數平均值低于0.5%，雖然存在一定濃度硫化氫，但通過查閱相關文獻：當硫化氫含量較低時， 不銹鋼表面鈍化膜的厚度在硫化氫的作用下不斷減薄， 但不會被完全破壞， 電化學阻抗譜圖保留鈍化膜的阻抗特征^[3]，不銹鋼材質具有較好的耐硫腐蝕能力；氯對不銹鋼管線的腐蝕影響較大，但在化驗分析中未檢測出，同時結合現場情況：如果單純為燃料氣中硫、氯腐蝕，那發生腐蝕的部位不會局限于幾個燃燒器或某段管線，因裝置內圓爐區共5臺加熱爐，其燃燒器、管線選用材質均相同，使用燃料氣組分相同，如若是單純由于燃料氣的硫、氯腐蝕導致泄漏必定會遍及整個加熱爐或整個圓筒爐區，但此次泄漏主要集中于局部幾個燃燒器和管線，所以可以排除單純由燃料氣介質因素導致管線發生失效。

2.3" 管線應力開裂

2.3.1 "現場理論分析

不銹鋼管線的應力腐蝕是應力和介質的雙重結合作用產生的結果，其中應力又包括殘余應力和外加應力^[3]，由于燃燒器的安裝及管線配管受到現場因素制約加之燃燒器的設計存在一定缺陷，使得在安裝連接過程中必然會存在外加應力，如圖4所示。

當連接管線法蘭與噴槍法蘭由于預制連接管線不當，配對法蘭不能完全貼合存在一定錯位時，在法蘭螺栓和噴槍定位螺栓的作用下迫使燃燒器定位，此時便會存在由人為因素導致的外加應力存在。

另外，雖然奧氏體不銹鋼具有良好的使用性能，但唯一的缺陷是在經過焊接后所產生的應力，使材料產生腐蝕性裂紋，影響使用性能，由于爐底空間狹小，使用管件數量多，每個燃燒器與管線的連接焊口均在10處以上，由于焊縫數量多，增大了焊后應力的存在，故初步判定是由于管線應力作用導致材料發生失效，既然應力腐蝕是應力和介質的雙重作用導致材料失效，然而燃料氣中硫化氫體積分數低于0.5%，且未檢測出氯元素，由于燃料氣化驗并非在線監測，所以需要對管線進行深入進一步檢測，進行分析。

3.3.2" 截面金相分析

由圖5、圖6可見，材料裂紋是由內部萌生，向外壁蔓延，在管壁中心改變方向，裂紋起源處存在非均勻奧氏體組織。

3.3.3"" SEM分析

檢測部位端口SEM形貌，由上圖可見斷口上覆蓋著較厚的氧化層，并存在解理臺階，具有脆性斷口特征。試樣斷口SEM形貌見圖7。

3.3.4" 斷口微區成分分析

由圖8所示，斷口位置含C、O含量較高，且含有質量分數為1.44%的氯元素。

根據上述微觀分析所述，推測管線發生失效形式是由于材料變形較大，產生應力較高，且斷口位置集聚硫、氯等腐蝕介質，易產生應力腐蝕。

結論：通過前期對現場管線的檢查，進行初步的理論分析判斷結合材料的微觀失效分析，不難看出，管線是在應力和腐蝕性介質的雙重作用下，發生應力腐蝕，致使材料失效。

4 "泄漏預防治理

2022年初通過與生產廠家進行技術交流對燃燒器噴槍做了兩方面改造：一方面，更改燃燒器與火盆的連接方式，原燃燒器是作為一個整體與火盆使用螺栓固定，現將燃燒器分割為兩部分，筋板通過螺栓固定于火盆，噴槍穿過筋板套管利用螺栓側邊壓緊固定方法固定在筋板上，實現噴槍固定，將原來筋板與分支噴槍間的金屬焊接方式改為活性連接，減少焊接點，方便調整的同時滿足消除外加管線應力，另一方面，原加熱爐燃料氣主管與噴槍法蘭之間連接采用不銹鋼管連接，現將原硬管更換為金屬軟管，減少連接管線焊接次數消除管線焊接應力。更新后燃燒器見圖9。

5" 結語

腐蝕一直是化工裝置無法避免的問題，管線發生腐蝕導致介質泄漏具有極其重大的安全隱患，此次加熱爐燃燒器及其附屬管線腐蝕發現及時，處理得當，避免發生較大泄漏，目前該燃燒器已在裝置內運行兩年，從未出現燃料氣泄漏情況，泄漏問題得到妥善治理。

參考文獻：

[1] 方毅.不銹鋼的腐蝕種類及影響因素[J].當代化工研究，2016（12）：11-12.

[2] 劉帥，朱磊.有關不銹鋼應力腐蝕開裂的研究[J].價值工程，2018，37（20）：129-130.

[3] 劉烈煒， 胡倩， 郭沨. 硫化氫對不銹鋼表面鈍化膜破壞的研究[J]. 中國腐蝕與防護學報， 2002， 22（1）： 22-26.

Corrosion Analysis and Control of Heating Furnace

Burner and Auxiliary Pipelines

WANG Xia

（CNOOC Ningbo Daxie Petrochemical Co.， Ltd， Ningbo Zhejiang 315000， China）

Abstract： During the operation of a xylene reboiler in a petrochemical plant， frequent leaks occurred in the heating furnace burner and fuel gas pipeline， posing a huge safety hazard to the safety production of the plant. In this article， the leakage situation of the heating furnace burner and auxiliary fuel gas connection pipeline was analyzed through on-site investigation， combined with laboratory analysis results， and feasible solutions for later leakage control were put forward.

Key words： Fuel gas; Burner; Pipeline failure; Leak