脱氢加热炉炉管变形原因的分析

查日松

（金陵石化烷基苯厂)

脱氢加热炉炉管变形原因的分析

查日松*

（金陵石化烷基苯厂)

对在用的脱氢加热炉炉管的变形情况进行分析，对各种导致炉管变形的因素进行筛选，排除不成立的因素，找出导致炉管变形的真正原因。

加热炉 炉管 吊架 平衡锤 受力分析 高温

1 炉管故障现象

某脱氢加热炉在使用过程中发现54根炉管中有2根存在变形情况，炉顶部对应的平衡锤坠落。正常状态下炉管在南北方向是对称分布的，但这2根炉管却向北方侧倾。

2 加热炉概况

该脱氢加热炉炉管中流动的介质包括氢气和烷烃，氢气的质量百分含量13.97%，烷烃的质量百分含量86.03%，氢气流量13 458 kg/h,烷烃流量82 858 kg/h，操作时入口温度430℃，出口温度500℃，入口压力0.25 MPa，出口压力0.155 MPa，操作负荷7.032 MW，炉膛有效加热面积309 m2，炉管程数54路，炉管根数108根，炉管规格Ø89 mm×5.5 mm×(7 739+450)mm， 炉管材质 Cr9Mo， 燃烧器数量7只，炉管平均热强度22 718 W/m2,燃料油消耗量851 kg/h。脱氢加热炉结构如图1所示。

图1 脱氢加热炉

单根炉管结构如图2所示。每程炉管由1个U形管和2根直管组成，其中U形管材质为Cr9Mo。

炉管焊接所用焊条型号为E1-9Mo-15(热707),要求炉管中的U形管部分其圆度不得超过3 mm(即 R=1 800 mm ± 3 mm)。

炉管吊杆系统由炉管吊杆、吊架板和平衡锤等组成。炉管吊杆材料为Cr25Ni20，单件质量26.4 kg。每个平衡锤由4个平衡片组成，每个平衡片质量29.6 kg，材料为铸钢ZG25。每程炉管中单根直管质量87 kg，U形管质量74 kg。

炉管吊架结构由吊杆和平衡锤以及支撑等组成，形成一个杠杆系统，如图3所示。设吊杆所受的拉力为F1，平衡锤的重力为Gp，吊杆的重力为Gg，吊杆离支撑距离为l1=200 mm，平衡锤离支撑距离为l2=400 mm，由力矩平衡有

图2 单根炉管结构

图3 炉管吊架结构

吊架板结构如图4所示。吊架板材质为Cr25Ni20，厚度20 mm，长度350 mm。

3 炉内检查

生产装置小修时，曾在该炉停炉后进行了内部检查，检查结果如下：

图4 炉管吊架板

（1）对炉管金相检查未发现异常，组织和成分没有明显变化。

（2）测量炉管的外径，未发现明显扩张和变形。

（3）炉管表面没有过烧现象，没有开裂现象。

（4）多数吊杆长度比原来略长一些，其中有4根位于顶部横梁附近的吊杆出现弯曲现象。

4 炉管和吊杆受力分析

图5 炉管受力分析

炉管发生变形，一个原因可能是炉管原来的受力状况遭到破坏，另外一个原因可能是炉管的物性参数在长期使用过程中发生了变化。以下就从这两个方面来加以分析。

4.1 炉管的受力分析

（1）炉管受力状况

为方便起见，以吊架板连接处以上那段炉管（包括U形管）为研究对象，该段炉管的受力情况如图5所示。

图5中：G为所研究的那部分炉管本身的重力；P为炉管内介质压力产生的对炉管的轴向作用力；F1、F2为吊杆对炉管的牵引力；L1、L2为吊架板处炉管截面受到的作用力。炉管内物料质量对炉管产生的重力作用忽略不计。

图5中炉管的受力平衡方程如下表示：

炉管重力G由炉管本身的物性参数决定，介质压力产生的作用力P也由物料参数所决定，吊杆对炉管的作用力F1、F2由平衡锤及吊杆的质量所决定。这些参数在设备使用过程中变化很小。因此，炉管原有的力的平衡系统不会改变，受力方向也不会改变，集合管 （见图2）对炉管的支撑力在正常平衡的状态下一定沿着直管的方向。

由于炉管进出口物料的温差，两侧炉管的热膨胀量稍有差异，所以炉管在冷、热阶段其侧倾是不同的。但是，如果炉内温度分布基本上均匀的话，各路炉管的侧倾方向不会有太大的差异。然而现场却有2根炉管侧倾比较大。

（2）炉管力学计算

炉管受到的外力如图5所示。炉管所受最大拉力的位置在吊架板下方。

在平衡锤不落地的情况下，炉管悬吊处 （吊架板处）截面所受的拉力L1和L2为：

由此可见，环向拉应力σ2大于轴向拉应力σ1，炉管在操作温度下更容易产生环向变形。

4.2 吊杆的受力分析

该脱氢加热炉所用吊杆分为一型和二型：吊杆一型，50根，直径36 mm，长度3 300 mm。吊杆二型，长度3 500 mm，其他参数与一型相同。处于炉子顶部横梁位置的吊杆都是吊杆二型，而变形的吊杆也都是吊杆二型。吊杆所受拉力Fg可用吊杆系统的力矩平衡方程求出，即

5 常见的炉管破坏形式和炉管变形原因分析

5.1 常见炉管破坏形式

由于运行中的加热炉其炉管不可能拆下来检查，因此需要分析一下炉管的常见破坏形式，排除不可能的因素，寻找炉管变形的真正原因。

炉管损坏的主要形式有：严重的壁厚减薄、变形、破裂、鼓包和内外腐蚀等。 炉管损坏的原因有：传热恶化、局部过热、火苗舔管、管内结焦、管内介质含有某些不良的杂质和管内外腐蚀等。此外，炉管的损坏形式还有炉管的高温蠕变破坏、炉管的渗碳破坏和炉管的氢脆等。

由于加热炉内的温度较高，因此炉管的高温蠕变破坏值得重视。蠕变是在不变的应力作用下，材料不断地发生塑性变形的现象。通常高温炉管承受着不变的应力的作用。内压引起的一次应力中环向应力是轴向应力的2倍，环向应力有时引起炉管沿圆周方向破裂。蠕变破坏常发生在炉管焊缝区附近，这是由于在焊缝区除内压以外还存在着焊接缺陷、焊接引起的材料劣化以及热应力等，这些因素的综合作用使炉管在焊缝区易产生破裂。

该炉室的1Cr25Ni20Si2吊架杆在炉内的受热条件比炉管更加恶劣，由于没有炉管内介质的冷却，因此高温下更容易产生物性变化，其破坏形式同炉管大体上类似。

5.2 炉管变形原因分析

（1）炉管热膨胀的影响。由上述炉管受力分析图 （图5）可知，炉管受力主要是上下方向的，如果热膨胀力破坏了原有的受力平衡状态，那么每根炉管应该情况相似，但是现在只有2根情况特殊。如果这2根炉管内部介质出现偏流或者炉膛局部温度过高，这2根炉管出现这种情况也是有可能的，但是这种情况的概率很小。

（2）线膨胀系数的影响。炉管材料Cr9Mo在21～482℃下的线膨胀系数为12.5×10-6℃-1， 吊架板以下的炉管长度为7.739 m，其线膨胀量为Δl管=12.5×10-6×7.739×480=0.046 4 m＝4.64 cm。 因此，炉管线膨胀量引起的平衡锤下落的高度为Δh=2×4.64＝9.28 cm。

吊杆材料1Cr25Ni20Si2在0～815℃下的线膨胀系数[2]为17.5×10-6℃-1。吊杆的线膨胀量如下：

吊杆一型： Δl1=3 300×17.5×10-6×800＝4.62 cm

吊杆二型： Δl2=3 500×17.5×10-6×800＝4.90 cm

对于吊杆一型，平衡锤总下落高度为：Δh1=4.62×2＋9.28＝18.52 cm

对于吊杆二型，平衡锤总下落高度为：Δh2=4.90×2＋9.28＝19.08 cm

现场吊杆的伸长情况和上述计算结果基本吻合。

（3）虽然炉管本身长期受热，材料物性会产生一些变化，但停炉后内部检查的结果是蠕变、渗碳、鼓包以及氢脆等现象都未出现。

（4）吊架板的开裂。如图4所示，每根吊杆引吊两根炉管，吊架板焊接在炉管上，相邻两根炉管的吊架板重叠在一起，通过螺栓挂在吊杆下部，以保证炉管承受垂直的拉力。如果吊架板出现开裂，原有的受力平衡即被破坏，炉管将偏向一边。这种可能性是有的，但停炉后内部检查的结果否定了这一点。

（5）炉管和吊杆本身因物性参数发生变化而产生了蠕变，其长度在平衡锤和内压的作用下被拉长，炉膛温度的进一步升高导致了平衡锤触地，两边失去平衡。

吊杆材料1Cr25Ni20Si2的物性参数如下：熔点为1 371～1 427℃，密度为7.72 g/cm3，弹性模量E为203 000 MPa。1Cr25Ni20Si2钢的高温力学性能和蠕变强度如表1、表2所示。

炉管金相分析和尺寸检查未见明显的异常，但所有的吊杆比原来的图纸尺寸略长一些，其中吊杆二型有弯曲现象。根据表2所列的吊杆材料蠕变强度数据，在2～3 MPa的拉应力下和加热炉的高温状况下，吊杆有发生蠕变的可能性，但蠕变量很小。该炉使用了多年，吊杆被拉长存在可能性。

炉子大修后投用，再次观察表明，变形严重的炉管都位于炉子顶部横梁下的位置，所处位置比较特殊。2010年大修时该炉全部更换了新吊杆，投用中发现，当炉子处于高负荷运行时，随着炉膛温度的升高，炉管的平衡锤又同样出现了碰到炉顶横梁的情况。

表1 1Cr25Ni20Si2钢的高温力学性能

表2 1Cr25Ni20Si2钢的蠕变强度

6 结论

综合分析认为，位于横梁上的炉管吊杆长度尺寸设计上偏长，平衡锤预留的下降空间有限，随着炉膛温度的升高，平衡锤落地，当温度进一步升高时，平衡锤不但没有补偿作用，相反成了炉管热膨胀的限制因素，导致吊杆被压缩弯曲，从而进一步导致炉管侧倾变形。

[1]干勇，田志凌，董瀚，等.钢铁材料手册 （下） [M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]严彪.不锈钢手册 [M].北京：化学工业出版社，2009.

[3]钱家麟.管式加热炉 [M].第2版.北京：中国石化出版社，2003.

Analysis of the Tube Deformation in Dehydrogenation Heating Furnace

Zha Risong

This paper analyses the reason of the tube deformation in dehydrogenation heating furnace， it lists all the causes,deselect impossibilities,and finds out the real reason.

Heating furnace;Furnace tube;Hanger;Counterweight;Force analysis； High-temperature

TQ 052

*查日松，男，1971年生，工程师。南京市，210046。

2011-11-13）