从设计角度查找炼厂管式加热炉火灾爆炸隐患

姚稷天，王志中，姜战飞，郑娇丽

（洛阳瑞泽石化工程有限公司，河南 洛阳471003）

石油化工是国民经济四大支柱产业之一，属易燃易爆、火灾多发行业，而管式加热炉造成火灾爆炸的事故率高居炼厂首位。过去对管式炉的安全教育多从开工、生产角度进行报导，本文从工程源头设计角度作以简介，以引起有关从业人员的重视。

1 加热炉与管排

顶烧制氢转化炉炉型优点很多，但结构复杂、问题多。有的转化炉热负荷仅5 000 m3/h，也选用燃烧器在炉顶的顶烧炉型，增加投资与技术难度，事故隐患增多。炉负荷在2×104m3/h 以下的转化炉可用结构简单的燃烧器安装在炉体两侧的侧烧炉型，负荷大于2×104m3/h 才用顶烧炉。

某项目为充分利用加热炉炉膛空间，在圆筒炉内用多边形状排管（见图1）。炉管为单排双面辐射，受炉管与燃烧器距离不等的影响，炉管极易产生局部过热，影响出力与烧坏炉管。

图1 多边形排管示意图

设计横管立式炉时，对流炉管与立式炉侧面同长，因烟气总是就近排出，对流管两端受热不足，除了出现加热死角与盲区，因20 多米长的对流炉管有的中间有接口，该焊口不合格时，会引起漏油着火，无法检查缺陷部位，更换炉管很困难。

小负荷管式炉热效率不高，产生的烟气量不多，不宜设余热回收设备，否则回收投资年限很长，得不偿失，还增加炉区系统火灾事故隐患。

2 炉管

管式炉管内高温加热的介质（油或气）是不能与空气接触的，一旦泄漏，遇到空气立刻燃烧，甚至爆炸，所以炉管是引发火情的重要频发场所，具体表现在以下几个方面。

2.1 炉管局部过热

各炉管与燃烧器距离不等，提高远离燃烧器的炉管热强度时，近距燃烧器的炉管会局部过热，因炉管圆周长度方向与燃烧器距离是不相等的，故要按平均/最大热强度比找出最佳比值，努力提高平均热强度。

立管炉炉管膨胀时被炉底导向管积灰阻塞，炉管向不同方向弯曲变形过大，易烧坏炉管；减压炉扩径段流型不好，炉管产生局部过热，出现裂纹。

2.2 炉管结焦

某厂减压炉为立管，油品气化后易在下行管内发生气液两相分离，两相区流动状态恶化，导致局部过热而结焦；焦化炉冷油流速偏低，油品在炉内停留时间长，出现结焦（见图2）。所以要：

（1）提高流速（国内为1.4～1.6 m/s，国外为2.1～2.2 m/s）；

（2）采用小管径；

（3）多点注水使油品呈理想流型。

图2 焦化炉炉管内结焦（右图阴影区域为焦层）情况图

某厂18×104t/a 溶剂脱沥青装置沥青加热炉，管径Φ60，双管程，因偏流导致结焦，后来更换了全部炉管。为此，必须保持炉内压力，不让溶剂过早蒸发，过早分层。

2.3 炉管腐蚀

某厂渣油加氢分馏炉炉管为1Cr5Mo。在高温状态下，因H2+H2S 的腐蚀以及炉管选材等级偏低，壁厚减薄，造成失火。在抗腐蚀方面，主要是提高炉管材质等级，而不是增加壁厚。壁厚腐蚀余量不要取得过大，一般不锈钢腐蚀余量为0～0.8 mm，碳钢和低合金钢腐蚀含量≤3.2 mm。壁厚若小于计算允许值时，炉管应报废。

某厂重整余热锅炉，炉用瓦斯含硫高，烟气对预热段炉管腐蚀严重，造成穿孔，因此要用含硫低的系统瓦斯，少烧含硫高的拔头油。

2.4 炉管介质偏流

偏流主要发生在双管程和多管程中，当流量减少时发生偏流，流量少的一路易结焦，使炉管干烧，损坏炉管。对称布置的炉管，管程数尽量减少，一程不要立即分为四程，每次分为两程，梯次增加，分支前应保证有足够的直管长度，至少为20 倍管径。

2.5 炉管泄漏

对流室有许多炉外弯头焊接时最后对接的弯头固定口因常处于边角区，无法探伤检查，靠焊工技术水平作业，当焊接质量不合格时出现漏油。

有的厂将减压炉卧管炉型的连接弯头全部放在炉内加热，在检修或换管时，由于管墙距太小，焊接与检测困难，容易产生泄漏。

设计文件对回弯头胀接要求不全，导致胀口面不平、不紧、管壁端面翻边量不够。有的回弯头、堵头材质不好，形成沙眼或出现炉管胀口处的胀大值超过规定值，产生泄漏。

某厂制氢转化炉对流蒸汽过热段，采用304 材质，炉管在烟气温度大于300 ℃时发生应力腐蚀开裂，大量蒸汽泄漏，并有碱液外流。

2.6 炉管焊接

某厂6×104m3/h 制氢转化炉下集气管（冷壁）（15Cr-MoA）与奥氏体不锈钢过渡段（0Cr18Ni10Ti）连接管异种钢管相焊接（见图3），焊后有较大的残余应力，而下集气管内部填充材料含有大量氯离子导致奥氏体不锈钢过渡段在高温下产生应力腐蚀，出现裂纹，324 根下尾管有89 根泄漏，造成装置试运中断。设计人员对氯离子含量高、 氯离子应力腐蚀裂纹认识不足，选用0Cr18Ni10Ti 材质，热处理造成敏化，产生应力腐蚀开裂，后更换为15CrMoR 材质，问题解决。

图3 下集气管（冷壁）与加强管示意图

制氢转化炉对流蒸发段集气管段支管接主管的焊接，设计要求采用全熔透角焊焊接时，焊接困难，造成4 根报废且800 多根返工，后采用开35°坡口角焊方法，避免隐患。

立管圆筒炉炉管材质为1Cr5Mo，炉底导向杆材质为304，这两种异种材料相焊接不合适，导致断裂。

2.7 炉管胀接

（1）10#、20#钢的应用

10#钢含碳量0.1%，强度较低，伸长率较高，可焊性较好，适用于胀接。

20#钢含碳量0.2%，强度较高，伸长率较低，可焊性不如10#，不适用于胀接。

蒸馏装置加热炉常用碳钢炉管，若用胀接回弯头时，应采用退火状态的10#钢管，但用冲压弯头时，应采用有较高蠕变应力的退火状态下的20#钢管。

（2）使用胀接回弯头时，管子硬度必须低于回弯头本体的硬度，才有良好的胀接质量。

2.8 炉管错用管材

20#钢管抗时效性能优于10#钢管，所以辐射炉管常用20#，而不用10#。

蒸馏装置炼中东、沙特原油时，含硫及高酸的原油对炉管及弯头冲蚀严重，腐蚀设备，使加工恶化。管式炉炼含高硫低酸原油时，主要是高温硫腐蚀，管材为铬钼钢，但它只能抵抗低环烷酸腐蚀，炼含高硫高酸原油时主要是环烷酸腐蚀，管材用不锈钢，防止腐蚀及氧化破坏。如炼制进口高酸原油时，常减压炉不用铬-钼钢管，而用TP316L 或TP317L。

2.9 炉管裂缝着火

在福建腾龙、惠州、大连福佳、上海金山、长庆石化五个大型炼厂的PX 装置与溶剂脱沥青装置加热炉中，因加热炉焊口不合格和机械密封泄漏，曾发生炉管焊缝裂爆等事故，引发大火。

韩国蔚山、洛阳、茂名及镇海四大炼厂加氢裂化重沸炉、 分馏炉对流室下方的遮蔽管区发生遮蔽管漏油失火事故。原因是进料介质含有H2S，严重腐蚀炉管，使管壁减薄。介质从对流转辐射为两相流，逐渐气化，流速增加，腐蚀加快。低负荷时，两相流分层，在对流室底部第二排炉管的上端出现开裂、爆管、着火，所以遮蔽管的材料要与辐射室炉管材质相同。另外，转油线宜置于炉外，可避免因转弯多、直段部分长度短而形成湍流或液节流流型。

某厂制氢转化炉下支尾管焊缝开裂，氢气外泄着火，原因是尾管设计许用应力选取过高，变形补偿不足，使接头开裂，应增加下尾管长度，增加变形补偿能力。角焊缝应改为对接焊缝。

2.10 炉管超温

某厂制氢转化炉炉管严重超温，运行18 h 后发生蠕变破裂。

某厂制氢转化炉生产不到48 h 后炉管突然破裂着火，原因是管材晶界处碳化物过多，疏松空间削弱了韧性，产生微裂纹，还有的炉管高温损伤变形，鼓包直至开裂。

过饱和蒸汽不要放在对流高温段，应放在＜400℃对流段。

热载体炉炉内盘管长期超温工作，各种性能下降，会使盘管发生穿孔渗漏，或导热油受热急剧膨胀，压力增加，造成炉管破裂。

高温氧化减薄管壁，使炉管寿命变短，一不小心就引发事故。

2.11 炉管老化变脆

炉管长期使用后，材料组织不稳定，产生老化，冲击值、高温机械性能下降，壁厚减薄，造成破坏。

炉管反复结焦，严重渗碳，渗入的碳沿晶界间析出碳化物，使材料老化变脆。

老化变脆的炉管经不起频繁的强烈冷却冲击，如转化炉炉管的破坏是热疲劳，其使用寿命取决于开停工的循坏次数，另外开停工操作复杂，需要时间长，只能降量维持低处理量生产，氢气放空，石脑油浪费大，所以炉子减负荷时工厂宁愿低负荷生产，也不愿在几台相同炉子中开一台停一台。

重整铬钼钢炉管，长期使用后，高温蠕变，寿命减短。

2.12 炉管内残余水分影响

导热油炉炉管内存水时，未除净的水受热膨胀，存在隐患，易发生炉管穿孔，油品渗漏燃烧，造成炉管短时急剧过热破裂，引发事故。

3 炉体系统

3.1 低温露点腐蚀

对流尾部炉管壁由于低温露点结露而形成硫酸腐蚀，露点温度随烟气组分的变化而变化，没有一个准确数值，烟气中SO2增多，露点腐蚀温度也增高，所以单纯提高排烟温度还不能绝对保证避免发生露点腐蚀。现在为节能提高热效率，油入口与排烟之间温差减为30～80 ℃，如无较好的防腐措施，会引发炉管严重腐蚀、泄漏。

3.2 烟道发生爆炸

某厂管式炉因空气量不足，燃料不完全燃烧时，燃烧产物中含有可燃气。如与烟道中空气混合达到一定浓度时，发生燃烧爆炸。

鼓风机进风口安放位置与装置内设置的管桥（管网）较近时，管网外泄的可燃气等被吸入鼓风机进风口管，发生爆炸。

3.3 加热炉闪爆

某厂加热炉长明灯因炉膛压力波动熄火，此时鼓风机停运，打开风门后，瞬间燃料气入炉发生闪爆，所以要增加长明灯抗干扰能力，切断阀要联锁关闭，防止燃料气入炉囤积后闪爆，或安装紫外线火焰监测仪，监测火焰。

排凝系统瓦斯罐未装视窗，不能直观积液情况，罐中凝液未脱净，发生回火与闪爆。

3.4 高温烟气泄出炉外

燃烧器到烟囱出口的阻力通过烟囱抽力来解决，一般说烟囱抽力超过30 mmH2O 时要设引风机，否则炉膛变正压，烟气外泄，造成事故。

3.5 热风道无保温

某厂150×104t/a 连续重整装置圆筒炉原设计热风道无保温，导致风道外壁温度过高，存在火灾隐患。

3.6 炉顶管孔漏烟蹿火

立管炉型炉管常从辐射炉顶穿出，因炉顶管孔结构设计不当，开口处因炉管膨胀，将管孔处炉衬损坏，造成炉衬减薄或部分脱落。高温烟气外泄的实例很多，过去采用耐火砖炉衬，因所用耐火砖型多，结构复杂，膨胀使砖挤断、脱落，有的炉顶板温度高达120 ℃。

3.7 热冲击爆炸

某厂1.5×104m3/h 制氢转化炉设有两套鼓、引风机（鼓风机55 kW，引风机75 kW），一套为备用。因误操作，引风机停运十分钟，炉膛憋压造成热冲击，炉管弯曲，防爆门的门框爆弯，原因是备用风机与在用风机未联锁，不能自动切换，只能等操作工人工切换。故可以增设事故旁路烟道或事故停电排烟设施，与此同时应增加燃料气—事故烟道—电源之间的联锁保护设施。

3.8 高温炉管裸露

制氢装置转化炉（侧烧）炉底近百根进口的Φ32×3.5 的下尾管膨胀时，保温箱卡住了800 ℃的保温层，仅下尾管移出；800 ℃的Φ406 mm×28 mm×11 200 mm 下集气管膨胀时，中部支撑环卡住下集气管保温层，使高温炉管裸露约200 mm，烧红的管壁裸露。

3.9 介质脱盐问题

介质中含盐量过高，会产生焦层、垢层，损坏炉管，所以介质入炉前要先脱盐或将原油先进行闪蒸，使含盐量减少到规定值以下。

4 炉用配件

4.1 为追求翅片管高焊着率，采用高频钎焊翅片管

海南某厂钎焊翅片管运输卸货时发现翅片管表面出现微裂纹而退货，否则生产时600～700 ℃钎料浸入造成“铜脆”现象，会迅速造成表面微裂纹的扩张，后果不堪设想。原因是在加工过程中钎料侵入奥氏体管材晶界间，并沿晶界向管材内部扩散，引起母材开裂。甚至只是在室外长期放置，也会有此现象。所以不能采用焊着率100%的钎焊翅片管，而采用技术可行的焊着率85%以上的高频焊接翅片管为宜。

4.2 ND 钢的应用

ND 钢是采用一种特殊的冶炼和轧制工艺，保证表面能形成一层富含Cu、Sb 的金属层，并能形成钝化膜，其抗腐蚀能力比碳钢高10 倍以上，为不锈钢

2～3 倍。因价格比碳钢昂贵许多，许多商家为营利，伪

造假ND 钢出售，他们不了解ND 钢的成分控制范围，不了解热成型工艺，产品化学成分和正宗ND 钢差别很大，有的假ND 钢制作的炉管的质量及抗腐蚀能力还不如碳钢管，引发多起事故。

4.3 吹灰器

吹灰器本身不能引发火灾，但对流尾部炉管因吹灰效果不好，含有硫酸的蒸汽就会在管子外表面冷凝、结露，并严重腐蚀炉管，引发事故。炉管表面因外垢热阻Ra 的大小与吹灰器安装正确的位置以及吹灰次数有关，所以要用声波和激波两种吹灰器联合使用。对流高温段利用声波震动使灰尘脱落，低温段利用燃气引爆的冲击波除垢，无死角、效果好、也避免声波噪音夜间扰民。

4.4 保温钉断裂脱落

烟气中有一部分SO2、H2S、水蒸气和单质硫从长期生产后衬里出现的裂缝孔隙进入炉壁板处，因昼夜温差大，使壁板结露，产生H2SO4腐蚀金属，使耐热衬里碳钢保温钉被氧化，强度降低，有的厂焊在壁板上的保温钉从根部脱落； 硅酸铝耐火纤维衬里低温腐蚀，保温钉脱落后，炉壁温度甚至达到360 ℃以上。要求：（1）保温钉有足够抗拉脱强度；（2）采用小间距，形状复杂的保温钉；（3）保温钉端部涂上石蜡、马林脂、塑料等，烧后形成空隙，保证膨胀；（4）耐热衬里中加入分散和不同方向的钢纤维，可抑制干燥胀缩；（5）保温钉材质升级。

4.5 看火门移位

某厂制氢转化炉陶纤炉衬的看火孔砖仅坐落在陶纤炉衬上，硅酸铝耐火纤维湿法成型轻质耐热砖无其他支撑，生产时炉衬收缩变形，看火门砖移位，炉衬出现裂缝，炉壁板严重超温。

4.6 燃烧器

低压瓦斯燃烧器及预混式瓦斯燃烧器瓦斯压力不稳时，易回火，火焰在喷管内燃烧，烧坏燃烧器喷管与附近炉衬，导致炉壁板超温、爆皮、鼓包（见图4）。

图4 制氢转化炉板式无焰燃烧器因回火烧坏的燃烧器喷管实物图

喷嘴与枪体连接丝扣选择不合适，或未认真检查制造质量，造成漏油、漏气；燃烧器油枪丝扣不严，加工精度不够，造成炉底漏油、漏气，引发火灾隐患。

燃料管线和燃烧器的垫片规格不对，垫片材质差，防渗性下降，产生泄漏。

茂名某厂转化炉顶烧燃烧器无法调节喷嘴，喷嘴长度不够，造成回火。可将火嘴框改为可前台移动，以保证喷嘴伸入炉膛长度可调节。

高氢燃烧器的选用：

燃料含氢量50%～60%，有的达到90%，为高氢燃料，选用普通燃烧器极易回火、爆炸，原因是氢气的燃烧速度快，回火倾向大，着火范围与操作范围广。高氢燃烧器是外混式燃烧器，与普通燃烧器不同，它采用大直径喷嘴，一次进行配风，火盆短，可使燃料气与空气混合间隙缩短，减弱了进风旋流，使燃烧器处于“弱化燃烧”状态。由于火焰长度增加，可抑制NOx的形成。

5 结语

从上述部分事例来看，因设计不佳造成的火险隐患很多，在设计中如有一处细枝末节出了问题，就可能造成一次火灾、 一次爆炸或者惊天动地的大灾难，酿成大祸。设计本身如存在不安全，严格地说，设计者就是杀手，就是犯罪。而“低标准、老毛病、坏习惯”是根源，所以设计不是纸上谈兵，要牢记“质量铸就未来”，精心设计，确保工程设计质量，从设计源头努力消除工程隐患，利国利民。