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(shè)備安全運行進行了一些討論。

關(guān)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(shè)備之一，具有結(jié)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(zhì)加熱到所需的焦化溫度（分餾塔底油、焦化油或聯(lián)合油的溫度處于300～340 ℃范圍內(nèi)），接著被加熱爐進料泵抽出后打入加熱爐的對流段，流經(jīng)輻射段被快速加熱到495～505 ℃后經(jīng)四通閥入焦炭塔底部。由于焦化加熱爐爐內(nèi)溫度較高，且伴有汽化和復雜的裂解及縮合反應(yīng)，因此極易導致爐管內(nèi)部結(jié)焦。結(jié)焦是爐管內(nèi)的油品高溫發(fā)生熱裂解形成游離碳，并在內(nèi)壁上堆集的現(xiàn)象，主要發(fā)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(jié)焦會導致爐管溫度快速升高，而高溫環(huán)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(jié)焦還會升高管內(nèi)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(jié)焦爐管的安全狀況進行檢驗檢測及結(jié)果分析并提出整改措施，從而保證設(shè)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(fā)生結(jié)焦。該焦化加熱爐屬立式管式加熱爐，設(shè)備總質(zhì)量404.33 t；輻射段介質(zhì)為減壓渣油，注水段介質(zhì)為過熱蒸汽；爐管主要材質(zhì)為1Cr5Mo（輻射段）、1Cr5Mo（對流段、注水段）；介質(zhì)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(guī)格為f127 mm×10 mm（光管），共92根，對流管規(guī)格為f152 mm×10 mm（釘子管），共76根，注水管規(guī)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(shè)備的安全運行。

2 "檢驗方案

根據(jù)以往檢驗經(jīng)驗并查閱相關(guān)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(huán)境下會轉(zhuǎn)變?yōu)榍蚧蓟?。球化現(xiàn)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(chǎn)生重要影響，即溫度高的爐管迎火面材質(zhì)球化程度要嚴重于溫度低的爐管背火面材質(zhì)[1]。

b. 高溫脫碳。長期高溫服役環(huán)境下Cr-Mo鋼中的碳與外界物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，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(xiàn)材質(zhì)軟化現(xiàn)象，導致室溫抗拉強度和蠕變強度降低，且多發(fā)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(fā)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(fā)生反應(yīng)生成一種疏松的氧化物膜，它不能阻止高溫氧化反應(yīng)的發(fā)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(xiàn)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(xiàn)象，當流體具有腐蝕性時，該現(xiàn)象更為嚴重[2]。沖刷減薄可能發(fā)生在爐管內(nèi)表面。

e. 高溫硫化物腐蝕。高溫硫化物環(huán)境下爐管與硫化物反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。高溫硫化物腐蝕以均勻腐蝕為主，偶爾出現(xiàn)局部腐蝕、沖蝕。該腐蝕通常在工作溫度超過260 ℃時發(fā)生，且腐蝕速度和工作溫度成正比關(guān)系[2]。

f. 蠕變。在高溫服役環(huán)境（低于屈服應(yīng)力載荷）下，爐管隨著使用時間的增加會緩慢發(fā)生塑性變形，使得爐管實際承載面積減小，應(yīng)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(shè)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(nèi)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(nèi)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(fā)現(xiàn)明顯的鼓脹、伸長等變形；爐管氧化腐蝕在正常范圍內(nèi)，無蠕變現(xiàn)象。

3.2""壁厚測定

爐外東側(cè)輻射管直管、彎頭減薄，實測最小壁厚8.3、8.4 mm。爐外西側(cè)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(nèi)輻射管減薄，實測最小壁厚8.0 mm。查閱相關(guān)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(nèi)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(jīng)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(nèi)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(guī)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(fā)現(xiàn)脫碳層基本消除，金相組織為鐵素體+球狀碳化物，碳化物數(shù)量明顯增多且隨打磨深度的繼續(xù)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(nèi)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(jīng)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(shù)已聚集長大，晶粒內(nèi)的碳化物減少，粒狀貝氏體已基本轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钐蓟?，球化等?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(guī)定的硬度值179HB，因此需要考慮能否滿足設(shè)計條件及因結(jié)焦而導致的超溫環(huán)境下的強度要求。

b. 歷次檢驗中經(jīng)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(tài)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(nèi)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(zhuǎn)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(jù)粒狀貝氏體轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)域最小硬度為180HB?？梢娡葪l件下粒狀貝氏體轉(zhuǎn)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(nèi)輻射管、爐腔外輻射管、對流管、注水管進行抽查，發(fā)現(xiàn)爐外西側(cè)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(guān)標準擴檢后未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。以上缺陷均經(jīng)過具有相關(guān)返修資質(zhì)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(jīng)檢測氣孔深度約為1.5 mm，其他部位未發(fā)現(xiàn)缺陷。

4 "結(jié)果分析

焦化爐管檢驗中發(fā)現(xiàn)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(fā)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(chǎn)生影響，但是結(jié)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(chǎn)生重要影響。

粒狀貝氏體向球狀碳化物的轉(zhuǎn)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(jīng)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(guān)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(jù)相關(guān)標準中常用材質(zhì)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(yīng)的抗拉強度約373 MPa，大幅低于標準規(guī)定的460 MPa；參考相關(guān)研究和試驗情況，1Cr5Mo材質(zhì)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(guī)定的不小于210 MPa[3]降低了42%。許用應(yīng)力=屈服強度/安全系數(shù)，說明許用應(yīng)力和屈服強度之間為正比關(guān)系，以1Cr5Mo材質(zhì)為例，在最大工作溫度500 ℃下，材料許用應(yīng)力為83.2 MPa，根據(jù)該正比關(guān)系得出1Cr5Mo材質(zhì)焦化爐管在低于120HB的硬度下許用應(yīng)力降低42%，計算得出許用應(yīng)力約48.3 MPa。

以材質(zhì)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(shè)計壓力4.0 MPa，材質(zhì)為1Cr5Mo，許用應(yīng)力[s]t取48.3 MPa。設(shè)焊縫接頭系數(shù)Ej=1.0，系數(shù)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(jié)果表明，正常工況下爐管仍能滿足設(shè)計條件下的強度要求，但是安全裕度較小。查閱相關(guān)資料，某煉油企業(yè)延遲焦化裝置在一個清焦周期（10個月）后，兩臺加熱爐陸續(xù)出現(xiàn)部分爐管貼片熱偶達到650 ℃清焦臨界條件的情況。根據(jù)GB/T 9948—2017中的規(guī)定，工作溫度達到500 ℃以上后，材料許用應(yīng)力會隨著溫度的升高明顯降低，例如500 ℃時材料的許用應(yīng)力為83.2 MPa，則當溫度達到550 ℃時許用應(yīng)力降為29.9 MPa，溫度達到600 ℃時許用應(yīng)力降為20.6 MPa?？梢?，此類爐管在較小的安全裕度下無法保證設(shè)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(jié)束語

焦化爐管在停車檢修時應(yīng)重點關(guān)注輻射管的宏觀尺寸檢驗、硬度檢驗及金相檢驗，重點關(guān)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(shè)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(jiān)測儀，以便及時調(diào)整爐內(nèi)溫度。及時檢查燃燒管的安裝位置，以防傾斜靠近發(fā)生舔管現(xiàn)象，避免爐管局部溫度過高。

使用單位應(yīng)當不斷關(guān)注焦化加熱爐爐管結(jié)焦程度，通過先進的工藝控制焦化加熱爐爐管結(jié)焦速率，延長裝置運行周期。停車檢修期安排有資質(zhì)的檢修單位對爐管進行有針對性的檢驗，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，以防事故發(fā)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(fā)展，加熱爐的設(shè)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(fā)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(shè)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(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控和調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，提高溫度控制精度，保證生產(chǎn)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(shè)備，其建設(shè)和購買成本較高，需要大量的資金投入。

b. 能耗高。由于該設(shè)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(yè)的操作人員和技術(shù)支持，以確保設(shè)備的正常運行和安全生產(chǎn)。

d."維護困難。由于該設(shè)備的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)較為特殊，因此維護難度大，需要專業(yè)的維修人員和技術(shù)支持。

e. 環(huán)保問題。大型雙面輻射延遲焦化爐在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢氣和廢水，如果處理不當，會對環(huán)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(yīng)的措施來降低負面影響。同時，也需要不斷改進和升級設(shè)備，以提高其能效和環(huán)保性能，促進石油化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來，為了延緩結(jié)焦我國研究開發(fā)了一種階梯爐。階梯爐輻射室內(nèi)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(jié)焦方面取得了顯著成果。

分析已往鍋爐爆炸事故，發(fā)現(xiàn)爐管泄漏、爆裂是導致事故發(fā)生的主要原因，因此要求使用單位在運行過程中時刻關(guān)注設(shè)備結(jié)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(shè)備的失效模式，并有針對性地制定檢驗方案，保證檢驗質(zhì)量。檢驗重點主要包括以下7方面：

a. 外觀質(zhì)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(yīng)平整、光潔，無明顯的溝槽或磨損痕跡，表面不應(yīng)有太多的氧化物、燒結(jié)物或銹痕等。

b. 尺寸檢驗，包括管子的直徑、壁厚等，應(yīng)符合設(shè)計要求和相關(guān)標準要求。

c."材質(zhì)檢驗，主要檢查管子的材質(zhì)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(fā)現(xiàn)表面及內(nèi)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(shè)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(shè)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(zhì)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(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.承壓設(shè)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(zhì)量監(jiān)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(wèi)，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.