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摘 要：对火筒式加热炉烟管、火管穿孔进行了分析，认为烟管穿孔主要是由于燃料燃烧产生的酸性介质在烟管与火管焊接处滞留腐蚀造成；火管的穿孔是由于火管被垫板所覆盖的管壁与垫板之间产生汽化膜，使火管被垫板所覆盖的位置过热严重，钢材强度和塑性下降，在周期性的气体膨胀力的作用下，火管壁出现鼓包，产生裂纹穿孔。分别提出了防止烟管、火管穿孔的措施与办法。
关键词：穿孔；裂纹；腐蚀；结垢
1.前言
火筒式加热炉（以下简称加热炉）是现代石油工业不可缺少的加热设备，加热炉在陆上油气田，油气集输过程中应用越来越广泛，是原油脱水、外输工程中，对原油进行加热降粘的重要辅助设备，火管和烟管是加热炉的两个重要组成部分，起到传热、受压、密封的作用。本文对加热炉火管、烟管穿孔进行分析，并提出防止的措施及建议。
2.穿孔状况介绍
2台加热炉均为火管材质20g，δ=12mm，烟管材质20g，δ=10mm，火嘴RS100。
2.1 烟管穿孔状况介绍
1#加热炉穿孔部位位于烟管与火管焊接处，下烟管的根部，在加热炉中，下烟管向外侧有一定的倾斜，穿孔部位属于倾斜的底部，焊缝处。穿孔为大拇指大小，小孔边缘最薄，约2mm；穿孔外侧无腐蚀，结垢约1mm，穿孔内侧，以小孔为中心，焊缝为长轴（约20cm）的椭圆腐蚀区较严重，腐蚀形状为点状，坑点大小不等，局部成蜂窝状，面积约120cm2。腐蚀区的边缘腐蚀厚度约为5mm，中心约为10mm。用锤子敲击穿孔部位，向内凹陷，并有铁锈掉落。在火管内穿孔部位下面，有约1公斤铁锈，成片状，有部分黑色粉末。烟管其它部位较好，局部表层有铁锈片，刮下后，能见到无腐蚀的金属层。
2.2 火管穿孔情况介绍
4#加热炉穿孔部位位于火管中部偏上，距耐火砖20cm处，火管燃烧道耐火砖长为3000mm。穿孔是由于火管鼓包而形成的裂纹，裂纹呈环向；从火管内进行测量，裂纹长约100mm，裂纹张口最大处约4mm，并有内凹现象.凹坑面积为160×90mm2，深为2.5cm左右。鼓包处外侧为烟管、火管支撑垫板（长50cm，宽10cm）与火管环向接触，垫板没有焊接在火管上；垫板表面结垢厚约5mm，垫板有明显的变形，曲度增大，使垫板与火管间有约5mm间隙，垫板下裂缝周围也有结垢，约3mm厚。从火管内外观察，表面均无腐蚀痕迹。
此站4台加热炉3次鼓包、3次穿孔部位均为火管与烟管支撑垫板位置。大修后，4台加热炉火管耐火砖均从按设计从1800mm增加到3000mm。从这次抽出的1#、4#加热炉火管看，只有4#加热炉穿孔火管外侧垫板在耐火砖火管段之外，其他3个火管外侧垫板均在耐火砖火管段之内。其他3个火管垫板上均有结垢，但厚度均在2mm以内。
3.原因分析
3.1 烟管穿孔原因分析
此站加热炉采用燃气为湿气，因此天然气中水分含量较大，同时易冲油，燃烧时产生部分焦类物质，在通过火管、烟道时，极易在火管、烟管间接处滞留附着形成焦垢（铁锈中的黑色物质）。同时由于天然气中含有杂质硫（S），硫燃烧后全部生成二氧化硫（SO2）。由于炉膛内有过量的氧气存在，部分SO2受灰分和金属氧化物等的催化作用，进一步与氧化合形成S03，在高温烟气中，S03气体不腐蚀金属。但当烟气温度降到400℃以下时，S03 就会与烟气中的水蒸气结合生成硫酸。这样就会形成下面几种腐蚀：
3.1.1 硫酸露點腐蚀
当硫酸蒸气凝结在某个受热面上时，就会发生低温硫酸腐蚀，即硫酸露点腐蚀。一般情况下，烟气中水蒸气的体积含量约为10%，水蒸气露点温度约在40～60℃，但当硫酸蒸气形成时。露点温度就会升高很多。从烟管形状可以看出，冷凝形成的硫酸会最终流向烟管的最低位置，即穿孔位置，由于焊缝的存在会使硫酸部分滞留，因此焊缝处的硫酸浓度和量最大，腐蚀最严重。
3.1.2 酸性电化学腐蚀
焦垢和基体金属之间存在着狭小的缝隙，而缝隙限制了氧化物的扩散，因此形成了浓差腐蚀电池，造成缝隙处的金属的局部腐蚀。其特征为缝隙内的金属表面呈现不同程度的坑槽或深孔，由于它们存在于缝隙内，又往往被腐蚀产物所遮盖，不易被发现，加重了其危害性。当碳钢置于酸性介质中时，在焦垢和基体金属表面的缝隙内外发生电化学腐蚀反应。因缝隙是一个滞流区，氧化物质消耗后不易得到补充，致使缝隙内电位较低；而缝隙外氧化物质提供充分，金属溶解产生电子很快在阴极上被氧化物质得到，阳极上的电子不易积累，电位较正。因此，缝隙内外电位不同，电位低的缝隙内部是阳极区，电位高的缝隙外部是阴极区、当缝隙内金属氧化过程逐渐减弱时，因金属离子溶解产生过多的正电荷，为保持缝隙内电荷平衡，缝隙外酸根离子会向缝隙内扩散，并在缝隙内形成金属盐类。盐类水解使缝隙内的酸度增加，从而加速了缝隙内的腐蚀。金属溶解增加，使酸根负离子的扩散加快，又促使金属溶解量增加，造成恶性循环。
3.1.3 应力腐蚀
烟管火管是在炉外焊接后移植到炉内的，因此移入后，在与封头的焊接过程中，必然会造成烟管火管受力，而烟管火管在焊接缝处的受力最大。同时，在烟火管的拼接焊缝中也存在焊接残余应力，20g材质在酸性环境中易产生应力腐蚀，破坏烟管表面的Fe3O4保护膜，使金属表面进一步腐蚀，最终导致穿孔。
3.2 火管穿孔原因分析
3.2.1 火管局部位置过热，强度降低
从上面介绍的情况可知，火管内耐火墙长度为3000mm，这会使火管无耐火墙处局部位置过热。另外，加热炉加热的介质是从地下抽上来的有大量泥沙的含水原油，在加热过程中会使火管外壁结垢。资料显示，结垢1mm，就会使壁温升高130～160℃。从火管产生裂纹部位外表面及垫板上也可以看到结垢厚约3～5mm。由于结垢又使火管局部过热更加严重。 3.2.2 火管产生裂纹部位受力分析
火管产生穿透性裂纹外壁有垫板，垫板四周与火管管壁无焊接，在加热炉使用过程中，污水会进入垫板与火管管壁间隙中。由于火管管壁局部位置过热，使进入垫板与火管管壁间隙中的污水瞬时汽化，汽化产生的气体无法立刻溢出，会在火管管壁与垫板之间形成一种空气膜。这种空气膜既可使被垫板覆盖的火管管壁进一步过热，同时也可使火管管壁、垫板及其四周结垢产生膨胀力。
3.2.3 破坏过程
由于火管母材有硫化物夹杂及由其引起的组织不均匀分布，使钢材在厚度方向的强度和塑性下降。另外，火管被垫板所覆盖的位置过热，使火管局部位置强度降低，在火管管壁，垫板及其四周结垢之间产生的膨胀力作用下，易出现鼓包，产生裂纹。由于火管管壁与垫板之间形成空气膜过程是一种重复过程，所以上述受力过程也是一种重复过程，这样就使火管被垫板所覆盖的位置发生一定的低周期疲劳破坏。在这种气体膨胀力的作用下，火管管壁产生的裂纹进一步扩展， 直至火管管壁全裂透。
4.结束语
由以上分析可知，烟管穿孔主要是由于燃料燃烧产生的酸性介质腐蚀造成；火管的穿孔是由于火管被垫板所覆盖的管壁与垫板之间产生汽化膜，使火管被垫板所覆盖的位置过热严重，钢材强度和塑性下降，在周期性的气体膨胀力的作用下，火管壁出现鼓包，产生裂纹穿孔。因此，建议从以下几方面采取措施，加以预防：
对于烟管：
1.在保证燃烧的情况下，尽量使用干气，减少燃料中的硫分及水分，降低过剩空气量，抑制硫酸的生成，以延缓烟管的烟气低温露点腐蚀。
2.定期停炉，进入火管与烟管连接部位，进行腐蚀性检查，发现问题，提前处理。
3.采用在烟管根部喷涂高温防腐涂料（如高温漆）的方法，可有效地防止低温腐蚀。
4.在火管烟管连接焊缝处除锈后进行耐腐蚀喷镀处理，如渗铝、渗碳等，也可有效提高其抗腐蚀性能。
5.在炉管焊接过程采用合理的焊接方法，减少焊接应力。防止热应力叠加，以防止应力腐蚀。
对于火管：
1.加长耐火砖长度，使垫板位于耐火砖覆盖段的火管外侧。
2.改变垫板位置，使其位于耐火砖覆盖段的火管外侧，或去掉垫板。
3.将垫板完全焊接在火管表面。
4.每年加热炉清淤过程中，彻底清除垫板表面及其周围的结垢。
5.在火管内设一个与火管内径接近的耐火环，用软连接，在烧火间拉动连接链，可使环在火管内径向自由移动。日常巡回检查中，移动该环，如果环在某处移不动，说明该处火管可能鼓包。
参考文献：
[1]王京贵、刘山：《加热炉炉管穿孔事故分析》，河南油田分公司南阳石蜡精细化工厂，2001。
[2]顧春琳：《原油热水加热炉炉管表面腐蚀原因分析》，油气储运。2003，22（5）30～32。
关键词：穿孔；裂纹；腐蚀；结垢
1.前言
火筒式加热炉（以下简称加热炉）是现代石油工业不可缺少的加热设备，加热炉在陆上油气田，油气集输过程中应用越来越广泛，是原油脱水、外输工程中，对原油进行加热降粘的重要辅助设备，火管和烟管是加热炉的两个重要组成部分，起到传热、受压、密封的作用。本文对加热炉火管、烟管穿孔进行分析，并提出防止的措施及建议。
2.穿孔状况介绍
2台加热炉均为火管材质20g，δ=12mm，烟管材质20g，δ=10mm，火嘴RS100。
2.1 烟管穿孔状况介绍
1#加热炉穿孔部位位于烟管与火管焊接处，下烟管的根部，在加热炉中，下烟管向外侧有一定的倾斜，穿孔部位属于倾斜的底部，焊缝处。穿孔为大拇指大小，小孔边缘最薄，约2mm；穿孔外侧无腐蚀，结垢约1mm，穿孔内侧，以小孔为中心，焊缝为长轴（约20cm）的椭圆腐蚀区较严重，腐蚀形状为点状，坑点大小不等，局部成蜂窝状，面积约120cm2。腐蚀区的边缘腐蚀厚度约为5mm，中心约为10mm。用锤子敲击穿孔部位，向内凹陷，并有铁锈掉落。在火管内穿孔部位下面，有约1公斤铁锈，成片状，有部分黑色粉末。烟管其它部位较好，局部表层有铁锈片，刮下后，能见到无腐蚀的金属层。
2.2 火管穿孔情况介绍
4#加热炉穿孔部位位于火管中部偏上，距耐火砖20cm处，火管燃烧道耐火砖长为3000mm。穿孔是由于火管鼓包而形成的裂纹，裂纹呈环向；从火管内进行测量，裂纹长约100mm，裂纹张口最大处约4mm，并有内凹现象.凹坑面积为160×90mm2，深为2.5cm左右。鼓包处外侧为烟管、火管支撑垫板（长50cm，宽10cm）与火管环向接触，垫板没有焊接在火管上；垫板表面结垢厚约5mm，垫板有明显的变形，曲度增大，使垫板与火管间有约5mm间隙，垫板下裂缝周围也有结垢，约3mm厚。从火管内外观察，表面均无腐蚀痕迹。
此站4台加热炉3次鼓包、3次穿孔部位均为火管与烟管支撑垫板位置。大修后，4台加热炉火管耐火砖均从按设计从1800mm增加到3000mm。从这次抽出的1#、4#加热炉火管看，只有4#加热炉穿孔火管外侧垫板在耐火砖火管段之外，其他3个火管外侧垫板均在耐火砖火管段之内。其他3个火管垫板上均有结垢，但厚度均在2mm以内。
3.原因分析
3.1 烟管穿孔原因分析
此站加热炉采用燃气为湿气，因此天然气中水分含量较大，同时易冲油，燃烧时产生部分焦类物质，在通过火管、烟道时，极易在火管、烟管间接处滞留附着形成焦垢（铁锈中的黑色物质）。同时由于天然气中含有杂质硫（S），硫燃烧后全部生成二氧化硫（SO2）。由于炉膛内有过量的氧气存在，部分SO2受灰分和金属氧化物等的催化作用，进一步与氧化合形成S03，在高温烟气中，S03气体不腐蚀金属。但当烟气温度降到400℃以下时，S03 就会与烟气中的水蒸气结合生成硫酸。这样就会形成下面几种腐蚀：
3.1.1 硫酸露點腐蚀
当硫酸蒸气凝结在某个受热面上时，就会发生低温硫酸腐蚀，即硫酸露点腐蚀。一般情况下，烟气中水蒸气的体积含量约为10%，水蒸气露点温度约在40～60℃，但当硫酸蒸气形成时。露点温度就会升高很多。从烟管形状可以看出，冷凝形成的硫酸会最终流向烟管的最低位置，即穿孔位置，由于焊缝的存在会使硫酸部分滞留，因此焊缝处的硫酸浓度和量最大，腐蚀最严重。
3.1.2 酸性电化学腐蚀
焦垢和基体金属之间存在着狭小的缝隙，而缝隙限制了氧化物的扩散，因此形成了浓差腐蚀电池，造成缝隙处的金属的局部腐蚀。其特征为缝隙内的金属表面呈现不同程度的坑槽或深孔，由于它们存在于缝隙内，又往往被腐蚀产物所遮盖，不易被发现，加重了其危害性。当碳钢置于酸性介质中时，在焦垢和基体金属表面的缝隙内外发生电化学腐蚀反应。因缝隙是一个滞流区，氧化物质消耗后不易得到补充，致使缝隙内电位较低；而缝隙外氧化物质提供充分，金属溶解产生电子很快在阴极上被氧化物质得到，阳极上的电子不易积累，电位较正。因此，缝隙内外电位不同，电位低的缝隙内部是阳极区，电位高的缝隙外部是阴极区、当缝隙内金属氧化过程逐渐减弱时，因金属离子溶解产生过多的正电荷，为保持缝隙内电荷平衡，缝隙外酸根离子会向缝隙内扩散，并在缝隙内形成金属盐类。盐类水解使缝隙内的酸度增加，从而加速了缝隙内的腐蚀。金属溶解增加，使酸根负离子的扩散加快，又促使金属溶解量增加，造成恶性循环。
3.1.3 应力腐蚀
烟管火管是在炉外焊接后移植到炉内的，因此移入后，在与封头的焊接过程中，必然会造成烟管火管受力，而烟管火管在焊接缝处的受力最大。同时，在烟火管的拼接焊缝中也存在焊接残余应力，20g材质在酸性环境中易产生应力腐蚀，破坏烟管表面的Fe3O4保护膜，使金属表面进一步腐蚀，最终导致穿孔。
3.2 火管穿孔原因分析
3.2.1 火管局部位置过热，强度降低
从上面介绍的情况可知，火管内耐火墙长度为3000mm，这会使火管无耐火墙处局部位置过热。另外，加热炉加热的介质是从地下抽上来的有大量泥沙的含水原油，在加热过程中会使火管外壁结垢。资料显示，结垢1mm，就会使壁温升高130～160℃。从火管产生裂纹部位外表面及垫板上也可以看到结垢厚约3～5mm。由于结垢又使火管局部过热更加严重。 3.2.2 火管产生裂纹部位受力分析
火管产生穿透性裂纹外壁有垫板，垫板四周与火管管壁无焊接，在加热炉使用过程中，污水会进入垫板与火管管壁间隙中。由于火管管壁局部位置过热，使进入垫板与火管管壁间隙中的污水瞬时汽化，汽化产生的气体无法立刻溢出，会在火管管壁与垫板之间形成一种空气膜。这种空气膜既可使被垫板覆盖的火管管壁进一步过热，同时也可使火管管壁、垫板及其四周结垢产生膨胀力。
3.2.3 破坏过程
由于火管母材有硫化物夹杂及由其引起的组织不均匀分布，使钢材在厚度方向的强度和塑性下降。另外，火管被垫板所覆盖的位置过热，使火管局部位置强度降低，在火管管壁，垫板及其四周结垢之间产生的膨胀力作用下，易出现鼓包，产生裂纹。由于火管管壁与垫板之间形成空气膜过程是一种重复过程，所以上述受力过程也是一种重复过程，这样就使火管被垫板所覆盖的位置发生一定的低周期疲劳破坏。在这种气体膨胀力的作用下，火管管壁产生的裂纹进一步扩展， 直至火管管壁全裂透。
4.结束语
由以上分析可知，烟管穿孔主要是由于燃料燃烧产生的酸性介质腐蚀造成；火管的穿孔是由于火管被垫板所覆盖的管壁与垫板之间产生汽化膜，使火管被垫板所覆盖的位置过热严重，钢材强度和塑性下降，在周期性的气体膨胀力的作用下，火管壁出现鼓包，产生裂纹穿孔。因此，建议从以下几方面采取措施，加以预防：
对于烟管：
1.在保证燃烧的情况下，尽量使用干气，减少燃料中的硫分及水分，降低过剩空气量，抑制硫酸的生成，以延缓烟管的烟气低温露点腐蚀。
2.定期停炉，进入火管与烟管连接部位，进行腐蚀性检查，发现问题，提前处理。
3.采用在烟管根部喷涂高温防腐涂料（如高温漆）的方法，可有效地防止低温腐蚀。
4.在火管烟管连接焊缝处除锈后进行耐腐蚀喷镀处理，如渗铝、渗碳等，也可有效提高其抗腐蚀性能。
5.在炉管焊接过程采用合理的焊接方法，减少焊接应力。防止热应力叠加，以防止应力腐蚀。
对于火管：
1.加长耐火砖长度，使垫板位于耐火砖覆盖段的火管外侧。
2.改变垫板位置，使其位于耐火砖覆盖段的火管外侧，或去掉垫板。
3.将垫板完全焊接在火管表面。
4.每年加热炉清淤过程中，彻底清除垫板表面及其周围的结垢。
5.在火管内设一个与火管内径接近的耐火环，用软连接，在烧火间拉动连接链，可使环在火管内径向自由移动。日常巡回检查中，移动该环，如果环在某处移不动，说明该处火管可能鼓包。
参考文献：
[1]王京贵、刘山：《加热炉炉管穿孔事故分析》，河南油田分公司南阳石蜡精细化工厂，2001。
[2]顧春琳：《原油热水加热炉炉管表面腐蚀原因分析》，油气储运。2003，22（5）30～32。