姚稷天，王志中，姜戰(zhàn)飛，鄭嬌麗

（洛陽瑞澤石化工程有限公司，河南 洛陽471003）

石油化工是國民經(jīng)濟四大支柱產(chǎn)業(yè)之一，屬易燃易爆、火災(zāi)多發(fā)行業(yè)，而管式加熱爐造成火災(zāi)爆炸的事故率高居煉廠首位。過去對管式爐的安全教育多從開工、生產(chǎn)角度進行報導，本文從工程源頭設(shè)計角度作以簡介，以引起有關(guān)從業(yè)人員的重視。

1 加熱爐與管排

頂燒制氫轉(zhuǎn)化爐爐型優(yōu)點很多，但結(jié)構(gòu)復雜、問題多。有的轉(zhuǎn)化爐熱負荷僅5 000 m3/h，也選用燃燒器在爐頂?shù)捻敓隣t型，增加投資與技術(shù)難度，事故隱患增多。爐負荷在2×104m3/h 以下的轉(zhuǎn)化爐可用結(jié)構(gòu)簡單的燃燒器安裝在爐體兩側(cè)的側(cè)燒爐型，負荷大于2×104m3/h 才用頂燒爐。

某項目為充分利用加熱爐爐膛空間，在圓筒爐內(nèi)用多邊形狀排管（見圖1）。爐管為單排雙面輻射，受爐管與燃燒器距離不等的影響，爐管極易產(chǎn)生局部過熱，影響出力與燒壞爐管。

圖1 多邊形排管示意圖

設(shè)計橫管立式爐時，對流爐管與立式爐側(cè)面同長，因煙氣總是就近排出，對流管兩端受熱不足，除了出現(xiàn)加熱死角與盲區(qū)，因20 多米長的對流爐管有的中間有接口，該焊口不合格時，會引起漏油著火，無法檢查缺陷部位，更換爐管很困難。

小負荷管式爐熱效率不高，產(chǎn)生的煙氣量不多，不宜設(shè)余熱回收設(shè)備，否則回收投資年限很長，得不償失，還增加爐區(qū)系統(tǒng)火災(zāi)事故隱患。

2 爐管

管式爐管內(nèi)高溫加熱的介質(zhì)（油或氣）是不能與空氣接觸的，一旦泄漏，遇到空氣立刻燃燒，甚至爆炸，所以爐管是引發(fā)火情的重要頻發(fā)場所，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 爐管局部過熱

各爐管與燃燒器距離不等，提高遠離燃燒器的爐管熱強度時，近距燃燒器的爐管會局部過熱，因爐管圓周長度方向與燃燒器距離是不相等的，故要按平均/最大熱強度比找出最佳比值，努力提高平均熱強度。

立管爐爐管膨脹時被爐底導向管積灰阻塞，爐管向不同方向彎曲變形過大，易燒壞爐管；減壓爐擴徑段流型不好，爐管產(chǎn)生局部過熱，出現(xiàn)裂紋。

2.2 爐管結(jié)焦

某廠減壓爐為立管，油品氣化后易在下行管內(nèi)發(fā)生氣液兩相分離，兩相區(qū)流動狀態(tài)惡化，導致局部過熱而結(jié)焦；焦化爐冷油流速偏低，油品在爐內(nèi)停留時間長，出現(xiàn)結(jié)焦（見圖2）。所以要：

（1）提高流速（國內(nèi)為1.4～1.6 m/s，國外為2.1～2.2 m/s）；

（2）采用小管徑；

（3）多點注水使油品呈理想流型。

圖2 焦化爐爐管內(nèi)結(jié)焦（右圖陰影區(qū)域為焦層）情況圖

某廠18×104t/a 溶劑脫瀝青裝置瀝青加熱爐，管徑Φ60，雙管程，因偏流導致結(jié)焦，后來更換了全部爐管。為此，必須保持爐內(nèi)壓力，不讓溶劑過早蒸發(fā)，過早分層。

2.3 爐管腐蝕

某廠渣油加氫分餾爐爐管為1Cr5Mo。在高溫狀態(tài)下，因H2+H2S 的腐蝕以及爐管選材等級偏低，壁厚減薄，造成失火。在抗腐蝕方面，主要是提高爐管材質(zhì)等級，而不是增加壁厚。壁厚腐蝕余量不要取得過大，一般不銹鋼腐蝕余量為0～0.8 mm，碳鋼和低合金鋼腐蝕含量≤3.2 mm。壁厚若小于計算允許值時，爐管應(yīng)報廢。

某廠重整余熱鍋爐，爐用瓦斯含硫高，煙氣對預熱段爐管腐蝕嚴重，造成穿孔，因此要用含硫低的系統(tǒng)瓦斯，少燒含硫高的拔頭油。

2.4 爐管介質(zhì)偏流

偏流主要發(fā)生在雙管程和多管程中，當流量減少時發(fā)生偏流，流量少的一路易結(jié)焦，使爐管干燒，損壞爐管。對稱布置的爐管，管程數(shù)盡量減少，一程不要立即分為四程，每次分為兩程，梯次增加，分支前應(yīng)保證有足夠的直管長度，至少為20 倍管徑。

2.5 爐管泄漏

對流室有許多爐外彎頭焊接時最后對接的彎頭固定口因常處于邊角區(qū)，無法探傷檢查，靠焊工技術(shù)水平作業(yè)，當焊接質(zhì)量不合格時出現(xiàn)漏油。

有的廠將減壓爐臥管爐型的連接彎頭全部放在爐內(nèi)加熱，在檢修或換管時，由于管墻距太小，焊接與檢測困難，容易產(chǎn)生泄漏。

設(shè)計文件對回彎頭脹接要求不全，導致脹口面不平、不緊、管壁端面翻邊量不夠。有的回彎頭、堵頭材質(zhì)不好，形成沙眼或出現(xiàn)爐管脹口處的脹大值超過規(guī)定值，產(chǎn)生泄漏。

某廠制氫轉(zhuǎn)化爐對流蒸汽過熱段，采用304 材質(zhì)，爐管在煙氣溫度大于300 ℃時發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，大量蒸汽泄漏，并有堿液外流。

2.6 爐管焊接

某廠6×104m3/h 制氫轉(zhuǎn)化爐下集氣管（冷壁）（15Cr-MoA）與奧氏體不銹鋼過渡段（0Cr18Ni10Ti）連接管異種鋼管相焊接（見圖3），焊后有較大的殘余應(yīng)力，而下集氣管內(nèi)部填充材料含有大量氯離子導致奧氏體不銹鋼過渡段在高溫下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，出現(xiàn)裂紋，324 根下尾管有89 根泄漏，造成裝置試運中斷。設(shè)計人員對氯離子含量高、 氯離子應(yīng)力腐蝕裂紋認識不足，選用0Cr18Ni10Ti 材質(zhì)，熱處理造成敏化，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，后更換為15CrMoR 材質(zhì)，問題解決。

圖3 下集氣管（冷壁）與加強管示意圖

制氫轉(zhuǎn)化爐對流蒸發(fā)段集氣管段支管接主管的焊接，設(shè)計要求采用全熔透角焊焊接時，焊接困難，造成4 根報廢且800 多根返工，后采用開35°坡口角焊方法，避免隱患。

立管圓筒爐爐管材質(zhì)為1Cr5Mo，爐底導向桿材質(zhì)為304，這兩種異種材料相焊接不合適，導致斷裂。

2.7 爐管脹接

（1）10#、20#鋼的應(yīng)用

10#鋼含碳量0.1%，強度較低，伸長率較高，可焊性較好，適用于脹接。

20#鋼含碳量0.2%，強度較高，伸長率較低，可焊性不如10#，不適用于脹接。

蒸餾裝置加熱爐常用碳鋼爐管，若用脹接回彎頭時，應(yīng)采用退火狀態(tài)的10#鋼管，但用沖壓彎頭時，應(yīng)采用有較高蠕變應(yīng)力的退火狀態(tài)下的20#鋼管。

（2）使用脹接回彎頭時，管子硬度必須低于回彎頭本體的硬度，才有良好的脹接質(zhì)量。

2.8 爐管錯用管材

20#鋼管抗時效性能優(yōu)于10#鋼管，所以輻射爐管常用20#，而不用10#。

蒸餾裝置煉中東、沙特原油時，含硫及高酸的原油對爐管及彎頭沖蝕嚴重，腐蝕設(shè)備，使加工惡化。管式爐煉含高硫低酸原油時，主要是高溫硫腐蝕，管材為鉻鉬鋼，但它只能抵抗低環(huán)烷酸腐蝕，煉含高硫高酸原油時主要是環(huán)烷酸腐蝕，管材用不銹鋼，防止腐蝕及氧化破壞。如煉制進口高酸原油時，常減壓爐不用鉻-鉬鋼管，而用TP316L 或TP317L。

2.9 爐管裂縫著火

在福建騰龍、惠州、大連福佳、上海金山、長慶石化五個大型煉廠的PX 裝置與溶劑脫瀝青裝置加熱爐中，因加熱爐焊口不合格和機械密封泄漏，曾發(fā)生爐管焊縫裂爆等事故，引發(fā)大火。

韓國蔚山、洛陽、茂名及鎮(zhèn)海四大煉廠加氫裂化重沸爐、 分餾爐對流室下方的遮蔽管區(qū)發(fā)生遮蔽管漏油失火事故。原因是進料介質(zhì)含有H2S，嚴重腐蝕爐管，使管壁減薄。介質(zhì)從對流轉(zhuǎn)輻射為兩相流，逐漸氣化，流速增加，腐蝕加快。低負荷時，兩相流分層，在對流室底部第二排爐管的上端出現(xiàn)開裂、爆管、著火，所以遮蔽管的材料要與輻射室爐管材質(zhì)相同。另外，轉(zhuǎn)油線宜置于爐外，可避免因轉(zhuǎn)彎多、直段部分長度短而形成湍流或液節(jié)流流型。

某廠制氫轉(zhuǎn)化爐下支尾管焊縫開裂，氫氣外泄著火，原因是尾管設(shè)計許用應(yīng)力選取過高，變形補償不足，使接頭開裂，應(yīng)增加下尾管長度，增加變形補償能力。角焊縫應(yīng)改為對接焊縫。

2.10 爐管超溫

某廠制氫轉(zhuǎn)化爐爐管嚴重超溫，運行18 h 后發(fā)生蠕變破裂。

某廠制氫轉(zhuǎn)化爐生產(chǎn)不到48 h 后爐管突然破裂著火，原因是管材晶界處碳化物過多，疏松空間削弱了韌性，產(chǎn)生微裂紋，還有的爐管高溫損傷變形，鼓包直至開裂。

過飽和蒸汽不要放在對流高溫段，應(yīng)放在＜400℃對流段。

熱載體爐爐內(nèi)盤管長期超溫工作，各種性能下降，會使盤管發(fā)生穿孔滲漏，或?qū)嵊褪軣峒眲∨蛎?，壓力增加，造成爐管破裂。

高溫氧化減薄管壁，使爐管壽命變短，一不小心就引發(fā)事故。

2.11 爐管老化變脆

爐管長期使用后，材料組織不穩(wěn)定，產(chǎn)生老化，沖擊值、高溫機械性能下降，壁厚減薄，造成破壞。

爐管反復結(jié)焦，嚴重滲碳，滲入的碳沿晶界間析出碳化物，使材料老化變脆。

老化變脆的爐管經(jīng)不起頻繁的強烈冷卻沖擊，如轉(zhuǎn)化爐爐管的破壞是熱疲勞，其使用壽命取決于開停工的循壞次數(shù)，另外開停工操作復雜，需要時間長，只能降量維持低處理量生產(chǎn)，氫氣放空，石腦油浪費大，所以爐子減負荷時工廠寧愿低負荷生產(chǎn)，也不愿在幾臺相同爐子中開一臺停一臺。

重整鉻鉬鋼爐管，長期使用后，高溫蠕變，壽命減短。

2.12 爐管內(nèi)殘余水分影響

導熱油爐爐管內(nèi)存水時，未除凈的水受熱膨脹，存在隱患，易發(fā)生爐管穿孔，油品滲漏燃燒，造成爐管短時急劇過熱破裂，引發(fā)事故。

3 爐體系統(tǒng)

3.1 低溫露點腐蝕

對流尾部爐管壁由于低溫露點結(jié)露而形成硫酸腐蝕，露點溫度隨煙氣組分的變化而變化，沒有一個準確數(shù)值，煙氣中SO2增多，露點腐蝕溫度也增高，所以單純提高排煙溫度還不能絕對保證避免發(fā)生露點腐蝕?，F(xiàn)在為節(jié)能提高熱效率，油入口與排煙之間溫差減為30～80 ℃，如無較好的防腐措施，會引發(fā)爐管嚴重腐蝕、泄漏。

3.2 煙道發(fā)生爆炸

某廠管式爐因空氣量不足，燃料不完全燃燒時，燃燒產(chǎn)物中含有可燃氣。如與煙道中空氣混合達到一定濃度時，發(fā)生燃燒爆炸。

鼓風機進風口安放位置與裝置內(nèi)設(shè)置的管橋（管網(wǎng)）較近時，管網(wǎng)外泄的可燃氣等被吸入鼓風機進風口管，發(fā)生爆炸。

3.3 加熱爐閃爆

某廠加熱爐長明燈因爐膛壓力波動熄火，此時鼓風機停運，打開風門后，瞬間燃料氣入爐發(fā)生閃爆，所以要增加長明燈抗干擾能力，切斷閥要聯(lián)鎖關(guān)閉，防止燃料氣入爐囤積后閃爆，或安裝紫外線火焰監(jiān)測儀，監(jiān)測火焰。

排凝系統(tǒng)瓦斯罐未裝視窗，不能直觀積液情況，罐中凝液未脫凈，發(fā)生回火與閃爆。

3.4 高溫煙氣泄出爐外

燃燒器到煙囪出口的阻力通過煙囪抽力來解決，一般說煙囪抽力超過30 mmH2O 時要設(shè)引風機，否則爐膛變正壓，煙氣外泄，造成事故。

3.5 熱風道無保溫

某廠150×104t/a 連續(xù)重整裝置圓筒爐原設(shè)計熱風道無保溫，導致風道外壁溫度過高，存在火災(zāi)隱患。

3.6 爐頂管孔漏煙躥火

立管爐型爐管常從輻射爐頂穿出，因爐頂管孔結(jié)構(gòu)設(shè)計不當，開口處因爐管膨脹，將管孔處爐襯損壞，造成爐襯減薄或部分脫落。高溫煙氣外泄的實例很多，過去采用耐火磚爐襯，因所用耐火磚型多，結(jié)構(gòu)復雜，膨脹使磚擠斷、脫落，有的爐頂板溫度高達120 ℃。

3.7 熱沖擊爆炸

某廠1.5×104m3/h 制氫轉(zhuǎn)化爐設(shè)有兩套鼓、引風機（鼓風機55 kW，引風機75 kW），一套為備用。因誤操作，引風機停運十分鐘，爐膛憋壓造成熱沖擊，爐管彎曲，防爆門的門框爆彎，原因是備用風機與在用風機未聯(lián)鎖，不能自動切換，只能等操作工人工切換。故可以增設(shè)事故旁路煙道或事故停電排煙設(shè)施，與此同時應(yīng)增加燃料氣—事故煙道—電源之間的聯(lián)鎖保護設(shè)施。

3.8 高溫爐管裸露

制氫裝置轉(zhuǎn)化爐（側(cè)燒）爐底近百根進口的Φ32×3.5 的下尾管膨脹時，保溫箱卡住了800 ℃的保溫層，僅下尾管移出；800 ℃的Φ406 mm×28 mm×11 200 mm 下集氣管膨脹時，中部支撐環(huán)卡住下集氣管保溫層，使高溫爐管裸露約200 mm，燒紅的管壁裸露。

3.9 介質(zhì)脫鹽問題

介質(zhì)中含鹽量過高，會產(chǎn)生焦層、垢層，損壞爐管，所以介質(zhì)入爐前要先脫鹽或?qū)⒃拖冗M行閃蒸，使含鹽量減少到規(guī)定值以下。

4 爐用配件

4.1 為追求翅片管高焊著率，采用高頻釬焊翅片管

海南某廠釬焊翅片管運輸卸貨時發(fā)現(xiàn)翅片管表面出現(xiàn)微裂紋而退貨，否則生產(chǎn)時600～700 ℃釬料浸入造成“銅脆”現(xiàn)象，會迅速造成表面微裂紋的擴張，后果不堪設(shè)想。原因是在加工過程中釬料侵入奧氏體管材晶界間，并沿晶界向管材內(nèi)部擴散，引起母材開裂。甚至只是在室外長期放置，也會有此現(xiàn)象。所以不能采用焊著率100%的釬焊翅片管，而采用技術(shù)可行的焊著率85%以上的高頻焊接翅片管為宜。

4.2 ND 鋼的應(yīng)用

ND 鋼是采用一種特殊的冶煉和軋制工藝，保證表面能形成一層富含Cu、Sb 的金屬層，并能形成鈍化膜，其抗腐蝕能力比碳鋼高10 倍以上，為不銹鋼

2～3 倍。因價格比碳鋼昂貴許多，許多商家為營利，偽

造假ND 鋼出售，他們不了解ND 鋼的成分控制范圍，不了解熱成型工藝，產(chǎn)品化學成分和正宗ND 鋼差別很大，有的假ND 鋼制作的爐管的質(zhì)量及抗腐蝕能力還不如碳鋼管，引發(fā)多起事故。

4.3 吹灰器

吹灰器本身不能引發(fā)火災(zāi)，但對流尾部爐管因吹灰效果不好，含有硫酸的蒸汽就會在管子外表面冷凝、結(jié)露，并嚴重腐蝕爐管，引發(fā)事故。爐管表面因外垢熱阻Ra 的大小與吹灰器安裝正確的位置以及吹灰次數(shù)有關(guān)，所以要用聲波和激波兩種吹灰器聯(lián)合使用。對流高溫段利用聲波震動使灰塵脫落，低溫段利用燃氣引爆的沖擊波除垢，無死角、效果好、也避免聲波噪音夜間擾民。

4.4 保溫釘斷裂脫落

煙氣中有一部分SO2、H2S、水蒸氣和單質(zhì)硫從長期生產(chǎn)后襯里出現(xiàn)的裂縫孔隙進入爐壁板處，因晝夜溫差大，使壁板結(jié)露，產(chǎn)生H2SO4腐蝕金屬，使耐熱襯里碳鋼保溫釘被氧化，強度降低，有的廠焊在壁板上的保溫釘從根部脫落； 硅酸鋁耐火纖維襯里低溫腐蝕，保溫釘脫落后，爐壁溫度甚至達到360 ℃以上。要求：（1）保溫釘有足夠抗拉脫強度；（2）采用小間距，形狀復雜的保溫釘；（3）保溫釘端部涂上石蠟、馬林脂、塑料等，燒后形成空隙，保證膨脹；（4）耐熱襯里中加入分散和不同方向的鋼纖維，可抑制干燥脹縮；（5）保溫釘材質(zhì)升級。

4.5 看火門移位

某廠制氫轉(zhuǎn)化爐陶纖爐襯的看火孔磚僅坐落在陶纖爐襯上，硅酸鋁耐火纖維濕法成型輕質(zhì)耐熱磚無其他支撐，生產(chǎn)時爐襯收縮變形，看火門磚移位，爐襯出現(xiàn)裂縫，爐壁板嚴重超溫。

4.6 燃燒器

低壓瓦斯燃燒器及預混式瓦斯燃燒器瓦斯壓力不穩(wěn)時，易回火，火焰在噴管內(nèi)燃燒，燒壞燃燒器噴管與附近爐襯，導致爐壁板超溫、爆皮、鼓包（見圖4）。

圖4 制氫轉(zhuǎn)化爐板式無焰燃燒器因回火燒壞的燃燒器噴管實物圖

噴嘴與槍體連接絲扣選擇不合適，或未認真檢查制造質(zhì)量，造成漏油、漏氣；燃燒器油槍絲扣不嚴，加工精度不夠，造成爐底漏油、漏氣，引發(fā)火災(zāi)隱患。

燃料管線和燃燒器的墊片規(guī)格不對，墊片材質(zhì)差，防滲性下降，產(chǎn)生泄漏。

茂名某廠轉(zhuǎn)化爐頂燒燃燒器無法調(diào)節(jié)噴嘴，噴嘴長度不夠，造成回火?？蓪⒒鹱炜蚋臑榭汕芭_移動，以保證噴嘴伸入爐膛長度可調(diào)節(jié)。

高氫燃燒器的選用：

燃料含氫量50%～60%，有的達到90%，為高氫燃料，選用普通燃燒器極易回火、爆炸，原因是氫氣的燃燒速度快，回火傾向大，著火范圍與操作范圍廣。高氫燃燒器是外混式燃燒器，與普通燃燒器不同，它采用大直徑噴嘴，一次進行配風，火盆短，可使燃料氣與空氣混合間隙縮短，減弱了進風旋流，使燃燒器處于“弱化燃燒”狀態(tài)。由于火焰長度增加，可抑制NOx的形成。

5 結(jié)語

從上述部分事例來看，因設(shè)計不佳造成的火險隱患很多，在設(shè)計中如有一處細枝末節(jié)出了問題，就可能造成一次火災(zāi)、 一次爆炸或者驚天動地的大災(zāi)難，釀成大禍。設(shè)計本身如存在不安全，嚴格地說，設(shè)計者就是殺手，就是犯罪。而“低標準、老毛病、壞習慣”是根源，所以設(shè)計不是紙上談兵，要牢記“質(zhì)量鑄就未來”，精心設(shè)計，確保工程設(shè)計質(zhì)量，從設(shè)計源頭努力消除工程隱患，利國利民。