原油直接式加热炉炉管失效的机理分析

成文峰，李 顺

（1.中石化管道储运公司徐州管道技术作业分公司，江苏徐州221008；2.中石化金陵分公司炼油运行一部，江苏南京210033）

我国生产的原油绝大部分为“三高”油（即高凝固点、高含水与高粘度），不宜或不可能等温输送。采用加热炉解决这一问题，是最为经济和有效的方法。因此，加热炉是油田勘探开发、油气输送中的重要设备之一。

随着油气田勘探开发面积和开发难度的增大，油田用加热炉的数量越来越多，由其引起的安全事故也越来越多。从早期加热炉使用不当造成的火灾甚至爆炸事故、加热炉烧毁，到近年来为提高加热炉效率引起的炉管腐蚀、预热器损坏等事故，已严重影响到加热炉的安全运行。因此，开展加热炉失效机理分析，意义重大。

1 原油直接式加热炉炉管失效机理分析

1.1 原油直接式加热炉简介

图1 输油管线加热炉结构示意图

加热炉由炉体、燃烧器及燃料油系统、吹灰系统和控制系统等部分组成，被加热介质——原油在炉管内部流动。加热室一般分为辐射室、对流室。图1为输油管线加热炉结构示意图。

1.2 炉管失效分析

经过现场调研，发现加热炉管的主要失效形式表现为腐蚀穿孔、氧化腐蚀以及腐蚀减薄，钉头的存在，加速了积灰、积盐的速率，灰垢会吸收水分，造成钉头根部的腐蚀。

（1）加热炉炉管低温露点腐蚀的产生机理。燃料油都含有少量的硫，燃烧后全部生成SO2。其中少量的SO2由于O2的存在进一步氧化成SO3。通常约有1%～3%的SO2转化为SO3。在正常操作条件下，SO2气体不会腐蚀金属，当烟气温度在400℃以下时，SO3与烟气中的水蒸气化合成硫酸蒸气，此凝结成硫酸的温度为烟气露点。当对流管壁温度低于露点时，硫酸蒸气就凝结在管壁上产生低温露点腐蚀。同时冷凝的硫酸液体还会粘附烟气中的灰尘，形成不易清除的积垢，使烟气通道不畅，甚至堵塞。

一般辐射室内由于烟气温度比较高，通常都远高于400℃，因此不可能发生露点腐蚀，实际现场调研中，辐射室炉膛内的炉管均未发现存在露点腐蚀的现象，但在温度较低的辐射室弯头箱，发现炉管腐蚀的迹象。对流室内烟气温度会逐步降低，一般排烟温度控制在180～200℃，而此时炉管金属壁温一般在70～100℃，当金属壁温低于露点温度时，就有可能产生低温露点腐蚀。

对流室弯头箱由于结构的影响，烟气会渗漏到弯头箱，此时烟气温度降低比较多，会在弯头冷凝，腐蚀弯头。还有在设备停炉时，随炉管壁温的降低，存在发生露点腐蚀的可能。

（2）高温硫腐蚀的产生机理。加热炉在正常的操作条件下，由于炉管壁温不高，不会发生高温硫腐蚀。但在一定的条件下，如管内油品不能正常流动或断流、炉管干烧、管内结焦等，高温硫腐蚀的发生几率还是存在的。

高温环境中硫的存在形式不同，硫腐蚀的类型也呈多样性，可大致分为：高温硫化，高温混合气氛下的硫化-氧化和硫酸盐沉淀所导致的热腐蚀。

2 加热炉炉管实例检测及分析

以洪荆线高阳站3台加热炉为例。该站有3台加热炉用于加热管属原油，原使用输送的原油为燃料。因腐蚀严重，对2#、3#加热炉进行了检修。检验人员现场提取了腐蚀严重的对流室钉头管（如图2）。由于2#、3#加热炉互为备用，因此2#、3#加热炉时常处于停用状态。根据现场检查的结果，辐射室的集灰较多，加热炉管腐蚀较严重，炉管钉头部位产物堆积等现象，检验样品除图2所示管件外，还在现场取辐射室积灰、钉头管和空气预冷器腐蚀产物同时进行检验，结果如下。

图2 检验样品

2.1 宏观检查

检验样品为一截带有钉头的直管、弯头及其对接焊缝管件，管外壁存在氧化腐蚀特征，表面外层是松散的黑色产物，紧贴管壁的产物呈铁褐色、棕褐色、黄色（见图2所示）。

管子主体呈均匀减薄的特征，钉头根部附着较多的产物，产物松散易清理，清理后可见钉头与直管焊接的根部材料缺失，钉头直径改变，呈不均匀减薄的特点（见图3）。现场调查发现，低温段，特别是空气预热器腐蚀最为严重，烟囱顶部防雨帽腐蚀穿孔。

图3 钉头管腐蚀特征

现场查看了正在运行的1＃加热炉的排烟温度，在3天的运行中，其排烟温度一般在100℃以下，烟气呈白色。

3.2 化学分析

在管弯头、直管部位上取样，进行化学成分分析，结果见表1。分析结果表明弯头和直管材料为20钢，化学成分及含量符合材料标准。

表1 化学成分分析结果（mass%）

2.3 金相组织

在送检管弯头、直管、对接焊缝和钉头部位分别取样，进行金相组织检查分析，弯头、直管和顶头组织为正火状态，金相组织未见异常。

2.4 腐蚀微观特征

在电子显微镜下分别观察直管和钉头的腐蚀的微观特征，清洗后直管表面无金属光泽呈均匀的腐蚀坑，图4-1～4-3为腐蚀产物和因腐蚀而显现的基体金属晶粒晶界；顶头部位基体缺损较大，清洗后的表面无金属光泽呈大小不等的的腐蚀坑，图4-4～4-6为腐蚀产物和因腐蚀而显现的基体金属晶粒晶界。

图4 腐蚀微观形貌

2.5 腐蚀产物分析

对钉头管腐蚀产物、辐射室积灰、空气预冷器腐蚀产物进行X-ray分析成分分析和X-ray衍射结构分析。X-ray分析成分分析检验结果见表2，X-ray衍射结构分析结果见表3。

表2 腐蚀产物X-ray分析成分分析结果（%）

表3 腐蚀产物X-ray衍射结构分析结果

腐蚀产物X-ray分析成分分析结果表明中含有大量的 O、Si、S、Ca、Fe和 Al、Cl、K、Mn 等化学元素。其中S含量较高，钉头管17.89 mass%～15.59 mass%，辐射室积灰35.47 mass%，空气预冷器24.79 mass%。辐射室积灰和空气预冷器中的Ca含量较高分别为15.70 mass%和6.22 mass%。

腐蚀产物X-ray衍射结构分析结果表明，腐蚀产物主要为三价铁氧化物、氢氧化物和硫酸盐类物质等。

3 结束语

（1）加热炉炉管失效，主要是管外壁氧化腐蚀造成的。直管和弯头部位是均匀腐蚀，钉头根部呈不均匀减薄的特点，腐蚀产物主要为氧化物、硫酸盐类物质。

（2）低温段钉头管和空气预热器腐蚀严重，腐蚀产物中含有大量的硫酸盐，说明燃料中含硫量高，存在露点腐蚀。

（3）Fe3＋有强烈的水解作用，该水解作用使介质的pH值进一步下降，加速腐蚀进程。这也是腐蚀产物中含有碱式硫酸盐和碱式氧化物的原因。

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