詹 爽

（惠生工程（中國）有限公司北京分公司）

乙烯裂解爐主要包括輻射室和對流室。 輻射室內的燃料燃燒釋放大量的熱用于輻射盤管內原料的裂解反應， 產(chǎn)生的高溫煙氣進入對流室，與對流室內多組換熱管束進行換熱用于原料預熱和能量回收。 對流室的換熱管束主要包括原料預熱段、鍋爐給水預熱段、混合物料預熱段、稀釋蒸汽過熱段及高壓蒸汽過熱段等。 對流室煙氣入口處的幾排爐管，因其位置處于輻射室和對流室的交界處，因此能夠同時受到輻射室爐膛中高溫煙氣的直接輻射和對流室中高溫煙氣流過的對流傳熱，工程實際中習慣把這幾排爐管稱為遮蔽管（一般為兩排左右）。 遮蔽管由于同時受到輻射傳熱和對流傳熱的作用，因此其熱強度是所有爐管中最高的，極易損壞［1］。筆者通過分析實際項目中乙烯裂解爐對流室底部混合預熱管束腐蝕原因，給出遮蔽管的設計思路、選材依據(jù)和操作注意事項。

1 問題的提出

某裂解爐停止運行3 h后，技術人員經(jīng)橫跨段檢查門進入爐膛內做例行檢查，發(fā)現(xiàn)：橫跨段爐底積存有5～10 mm厚的氧化物（圖1、2），脫落的氧化物大多為鱗片狀且具有一定的弧度，厚度約1 mm左右（圖3）；站在橫跨段爐底仰視，可以看到混合預熱段最下面幾排管束表面有水波紋狀氧化腐蝕現(xiàn)象（圖4）。 根據(jù)上述現(xiàn)象和檢測部門出具的檢測數(shù)據(jù)（管子壁厚實際測量結果、化學成分光譜分析結果及管子硬度值等） 綜合判斷：物料混合預熱段下部部分管束外表面發(fā)生了高溫氧化，最下一排最為嚴重。

圖1 橫跨段爐門附近氧化物

圖2 橫跨段爐底氧化物

圖3 氧化物形態(tài)

圖4 橫跨段上方物料混合預熱段

裂解爐對流室管束是在6個月前才被徹底更換的，最下一組管束是物料混合預熱段，共5排管子（圖5），管束材料為A312 TP304H。 在如此短的時間內就發(fā)生了嚴重的氧化腐蝕實屬罕見，更為嚴重的是共有6臺裂解爐都發(fā)現(xiàn)了同樣的問題。

圖5 裂解爐設備布置示意圖

2 裂解爐對流室管束腐蝕原因分析

2.1 物料混合預熱段的設計

2.1.1 設計依據(jù)

本項目中，裂解爐對流室管束壁厚設計依據(jù)的是SH/T 3037—2016《煉油廠加熱爐爐管壁厚計算方法》［2］。 其中“1.范圍”一節(jié)這樣規(guī)定：本標準規(guī)定了煉油廠火焰加熱爐新爐管壁厚的計算方法和設計準則。 本標準適用于有腐蝕和無腐蝕環(huán)境兩種情況下煉油廠火焰加熱爐 （直接火焰加熱， 吸熱管位于爐膛內） 的設計。 可見，SH/T 3037—2016是適用于本項目物料混合預熱段管束強度設計的。 其他還有采用API Standard 530《Calculation of Heater-Tube Thickness in Petroleum Refineries》［3］和 ISO 13704 《Petroleum，Petroche mical and Natural Gas Industries—Calculation of Heater-Tube Thickness in Petroleum Refineries》［4］的。 上述3個標準中有關爐管壁厚計算的理論是完全一致的。

2.1.2 設計計算過程

設計參數(shù)：設計溫度790 ℃，設計壓力0.65 MPa。

設計選材：A312 TP304H。選材依據(jù)的標準是A312/A312M-17 《Standard Specification for Seamless，Welded，and Heavy Cold Worked Austenitic Stainless Steel Pipes》［5］和GB 9948—2013《石油裂化用無縫鋼管》［6］。標準中規(guī)定該材料的最高允許使用溫度為815 ℃，發(fā)生明顯氧化時的溫度為850 ℃，極限氧化溫度為900 ℃。

將上述數(shù)據(jù)代入公式：

其中，tσ為應力厚度；tmin為最小壁厚；pr為斷裂設計壓力；Di為爐管內徑；斷裂許用應力σr=15.81 MPa；腐蝕分數(shù)f=0.585；腐蝕裕量CA=1 mm［1］。

計算得到管子最小壁厚tmin=3.275 mm， 考慮到制造偏差，管子平均壁厚為3.685 mm。 參考如上計算結果，管子規(guī)格最終取值：外徑141.3 mm，壁厚6.550 mm。 所選壁厚大于所需的平均壁厚3.685 mm，取值安全。

2.1.3 管束的排布

混合物料預熱段管束的排布情況如圖6～8所示。

圖6 物料在下混合預熱段內的走向示意圖

圖7 管束排布三維視圖

圖8 管束端側情況

此段水平方向有4組管束， 每組管束在豎直方向上有5排換熱管， 管排從上到下依次命名為1、2、5、4、3，下方的3排管（圖中標記5、4、3）為遮蔽管，是未纏繞翅片的光管，上方的兩排管（圖中標記1、2） 為翅片管。 整段管束管材全部為A312 TP304H。

物料在管束內的走向如圖6、7所示。 物料烴與水蒸氣混合經(jīng)預熱后來到此段， 流經(jīng)第1排管后折回到第2排管，跨過第4、5排管后去第3排管，物料流出第3排管后折回進入第4、5排管，完成預熱過程后流出對流室，進入輻射室受熱裂解。 可見，第3排管所處的環(huán)境最為苛刻，因為它直接受到高溫煙氣和輻射室三面墻體（左、右側和爐底）的輻射，以輻射傳熱為主，它所接觸到的煙氣溫度一般在1 100 ℃左右。 這樣設計的好處：一是物料經(jīng)過第1、2排管的預熱后，與第3排管的壁溫溫差在合適的范圍內； 二是相對低溫的物料在第3排管內吸收大量熱量，從而有效降低了爐管外壁溫度，這樣此排管束在設計選材時就可以選擇比較經(jīng)濟的材料，如A312 TP304H；三是第4、5排管不必選擇高等級的耐高溫材料， 和第3排管子一樣也可以選用A312 TP304H， 因為這兩排管束接觸到的煙氣是經(jīng)過第3排管的換熱后被降溫的煙氣， 并且這兩排管子并不直接面對高溫煙氣，而是“躲”在第3排管的后面，和第3排相比只是局部接觸煙氣。 此段管束的排布方法被稱為“經(jīng)典五排”，而且已被多個項目檢驗過，這樣設計既能滿足工藝要求又能大幅降低項目造價。

2.2 材料檢驗

2.2.1 管材

圖9為即將用于本項目施工的管材， 從管壁上的管材標識可以看出，管材為ASTM A312 GR.TP304H，規(guī)格為φ141.3 mm×6.55 mm，采購選用的標準、管材、規(guī)格均與設計要求完全一致。

圖9 待施工的管材

2.2.2 事故管材的符合性

對事故管束用光譜儀實測其化學成分，結果如圖10所示。 由圖10可以看出：金屬Cr的含量在18%～20%范圍內， 金屬Ni的含量在8%～11%范圍內，符合ASTM A312 GR.TP304H材料對這兩種主要成分的要求。 可判斷事故管材為ASTM A312 GR.TP304H。

圖10 事故后現(xiàn)場實測的管材成分

2.3 裂解爐運行操作

裂解爐事故發(fā)生時， 所在地的日平均氣溫為-12 ℃，最高氣溫為-7 ℃。 該裂解爐采用的是輻射室爐底與側壁燃燒器聯(lián)合供熱方式，其中爐底燃燒器配有助燃空氣預熱器，用裝置中產(chǎn)生的低品質熱水作為預熱器中的熱源。 某日裝置晃電后空氣預熱器中的熱水斷流并凍結， 脹裂換熱管，大量冰塊擁堵在預熱器的空氣通道內，致使助燃空氣的流通面積大幅減小。 事故發(fā)生后，現(xiàn)場人員用高溫蒸汽從預熱器下方向上吹融預熱器內的冰塊，清理工作持續(xù)10 h以上，不經(jīng)意間致使大量水蒸氣進入爐膛內。 A312 TP304H是18-8系列奧氏體不銹鋼，這種材料的抗高溫蒸汽腐蝕性較差，在長期運行過程中會產(chǎn)生蒸汽氧化問題和氧化皮脫落問題， 給設備的安全運行帶來威脅。 有研究對A312 TP304H在560、590、620 ℃水蒸氣下進行了氧化試驗， 結果表明A312 TP304H的氧化速度隨著溫度的升高而加快［7］。然而，裂解爐在正常生產(chǎn)運行時產(chǎn)生的蒸汽量有限，對管子影響微乎其微，發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象輕微，是在設計可控范圍內的。

晃電事故后，要求裂解爐在盡可能短的時間內將投料量提升到100%， 隨著投料量的逐步增加，燃料量供給加大，爐頂引風機的抽力逐漸加大，這就需要從爐底燃燒器進風口進入爐膛內的空氣量不斷加大，但空氣預熱器內空氣流通面積變小，使得進入爐膛內的空氣量越發(fā)不足。 在爐頂引風機抽力的作用下，不足的空氣只能從側壁燃燒器進風口補充進爐膛。 這就造成輻射室爐膛中、下部位燃料燃燒不充分，未充分燃燒的燃料隨煙氣在爐膛頂部、橫跨段等部位與從側壁燃燒器進入爐膛的氧氣混合燃燒，從而使橫跨段煙氣溫度極大地超過了正常值，使對流室管束處于非正常的高溫狀態(tài)， 尤其是第3排管氧化腐蝕最為嚴重。 隨著煙氣向上流動，溫度降低，物料下混合預熱段上方的爐管高溫氧化腐蝕變輕。 從現(xiàn)場檢查結果來看實際腐蝕情況符合上述分析。

3 結束語

綜上所述， 物料混合預熱段管束的設計、采購方面均滿足工藝及現(xiàn)行有關規(guī)范要求。 裂解爐發(fā)生晃電后，恢復生產(chǎn)的過程中，空氣預熱器故障未及時得到徹底清除，在這樣的情況下快速提高投料量，造成大量的水蒸氣進入爐膛內，使爐管被高溫水蒸氣氧化腐蝕。 另外，晃電事故造成空氣預熱器故障，致使從爐底燃燒器進入爐膛內的空氣量不足，煙氣中殘存的燃料氣與從側壁燃燒器等處進入爐膛的空氣混合后在橫跨段、對流室下部發(fā)生二次燃燒，使對流室下部管束尤其是物料混合預熱段超溫， 導致材料快速氧化腐蝕，這是事故發(fā)生的主要原因。