加热炉炉管损伤研究进展及展望

许永勃，王妍芝

(1.中国石油工程建设有限公司 青海分公司，甘肃 敦煌 736202； 2. 中国石油青海油田分公司 勘探开发研究院， 甘肃 敦煌 736202)

加热炉是石油化工行业最常见的设备之一，该种类型设备主要承担着原油及化工原料加热的任务，在对石油及化工原料进行加热的过程中，加热炉炉管内的温度相对较高，受到内部温度、压力以及其他因素的影响，加热炉的炉管非常容易出现损伤问题，在炉管出现损伤问题以后，不但会使得加热炉的运行效率受到一定的影响，而且还容易引发其他类型的安全问题，由此可见，防止加热炉的炉管出现损伤问题十分重要。为了防止加热炉的炉管出现损伤问题，就必须对加热炉炉管损伤出现的机理进行深入研究，以此才能制定更好的防护方案。目前，国内外学者已经对加热炉炉管损伤问题进行了深入研究，但是研究过程中仍然存在一定的问题，这些问题的存在对于该领域的发展而言十分不利。针对此问题，本次研究从加热炉炉管损伤的危害出发，对加热炉炉管损伤问题的研究进展进行深入研究，发现该领域研究中存在的问题，并从多个角度出发提出对未来研究的相关建议，为推动加热炉炉管损伤研究的进一步发展和间接保障加热炉的运行安全奠定基础。

1 加热炉炉管损伤危害性分析

对于加热炉而言，与其他设备不同，该种设备在出现失效问题以后是很难通过肉眼察觉的，在另一方面，如果加热炉的炉管出现问题，就必须对炉管进行更换，以此防止因炉管损伤引发更大的危害，因此，使用加热炉的企业必须制定专门的加热炉维修周期。我国某企业在对加热炉进行检修的过程中，在对加热炉进行金相检测以后发现，加热炉的炉管内存在严重的渗碳现象，这说明该加热炉在使用一段时间以后已经出现了严重的炉管损伤问题，加热炉的运行性能也必然会出现衰退，为了保障该加热炉的安全运行，就必须对炉管进行更换。

在加热炉日常使用的过程中，受到炉内压力和温度等多重因素的影响，会在加热炉炉管的内壁上产生众多的焦炭，此时会使得加热炉内的温度持续升高，温度可以升高到700～1 500 ℃，受到高温作用的影响，加热炉的内壁会出现氧化损伤问题。对于加热炉的炉管而言，在使用的过程中受到氧化作用的影响，很可能会出现减薄、裂纹以及金相变化等问题。例如，随着加热炉内碳化物的不断聚集，加热炉的金属元素可能会重新分配，此时加热炉的金属机械性能就会出现一定的变化，加热炉的韧性、强度以及抗高温的能力都会出现衰退。

2 加热炉炉管损伤研究进展

2.1 腐蚀损伤

1)高温氧化减薄

对于加热炉的炉管而言，需要长时间在高温的环境下工作，受到氧化作用，非常容易出现氧化腐蚀问题，一般情况下，加热炉的炉管都是由碳钢组成，当所处的温度达到480 ℃以后，就会出现炉管氧化腐蚀问题，随着温度的进一步升高，在炉管表面会形成一层氧化保护膜，保护膜的存在会使得其腐蚀速率降低，如果碳钢中含铬量相对较高，则此时产生的保护膜保护作用就越强。2008年，我国某单位的加热炉出现了炉管穿孔问题，在对炉管进行分析后发现，出现了严重的高温腐蚀现象，这就是典型的由于高温氧化减薄引起的炉管损伤问题。

2)高温硫化腐蚀

如果加热炉处于正常的工作状态，炉管内的温度并不是太高，此时并不会出现硫腐蚀问题，但是如果加热炉内的燃料无法正常的流动，炉管就会出现干烧问题，使出现硫腐蚀的几率大大增加，硫腐蚀的出现与加热炉的材质以及燃料中的硫含量具有很大的关系。2006年，我国某单位生产的一种加热炉在大庆油田使用的过程中出现了腐蚀开裂问题，同时，炉管内还出现了着火现象，这是我国自行生产的设备首次出现该种问题，通过后期的研究发现，该种问题主要是由于奥氏体不锈钢炉管的材质所引起。

3)晶间腐蚀

对于金属而言，由于晶粒和其内部的成分存在一定的差距，会使得晶粒之间存在一定的内力，此时非常容易出现晶粒间腐蚀问题，为了解决该问题，国内外都已经开发出了具有稳定性能的不锈钢，进而使得该问题得到了解决，同时，国内外还专门为此开发出了VOD金属处理法和AOD金属处理法，这些方法使得晶间腐蚀问题基本不再出现。

4)高温氢腐蚀

对于加热炉的炉管而言，受到其高温作用的影响，气体中的氢组分将会变得十分不稳定，进而与炉管金属中的碳组分产生化学反应，这种化学反应基本都是出现在金属的晶粒之间，进而使得金属的强度得到一定的下降，严重时还会出现炉管断裂问题，这种现象还可以称为脆化现象。2013年，我国某单位的加热炉炉管就出现了大量的裂纹，进而引发了泄漏问题，通过后期的事故分析发现，这主要是由于燃料中含有大量的氢化物，产生了应力腐蚀开裂现象。

2.2 蠕变损伤

当金属长期处于高温环境中工作时，且其应力长期处于不变的状态，此时金属会出现塑性变形问题，最终会引发金属破裂现象，炉管出现该种损失问题的基本条件为炉管所处的温度相对较高、应力相对较大且炉管使用的时间相对较长。通过对炉管的蠕变损伤问题进行研究后发现，该种问题的出现可以分为三个阶段，在第一个阶段中，炉管将会出现初始的蠕变问题，随着时间的推移，蠕变现象将会加快；在第二个阶段中，炉管将会处于稳定蠕变状态，此时随着时间的推移，蠕变现象的速度相对较慢，当蠕变现象达到总蠕变的80%时，就会进入到第三个阶段，此时随着时间的推移，蠕变的增加速度相对较大，最终引发蠕变断裂问题。20世纪末，我国某单位使用的管式加热炉就出现了严重的炉管断裂问题，通过对后期事故原因进行分析后发现，由于炉管使用时间相对较长，炉管内已经产生了严重的氧化层，进而使得炉管长期处于高温状态下，蠕变现象十分严重，最终引发了断裂问题。

2.3 材质劣化

1)渗碳

当金属材料在高温状态下长期与含碳类物质接触时，碳元素会慢慢的向金属的内部扩散，当金属内的含碳量达到一定的数值以后，金属内部就会产生碳化物颗粒，这是引发金属开裂的重要原因。对于加热炉而言，石油化工中使用的加热炉一般都是处于高温的状态，燃料中含有一定量的碳化物，这使得加热炉非常容易出现渗碳损伤问题。

2)475 ℃脆性

部分加热炉的炉管是由高铬奥氏体不锈钢制作而成，该种类型的炉管在500 ℃左右的环境中工作时，其强度会出现升高现象，但是其韧性会出现一定的下降，其耐腐蚀的能力也会出现严重的下降，该种现象在475 ℃的工作环境中十分常见，因此该种损失问题可以称之为475 ℃脆性损失问题，一般情况下，当炉管材料中的铬含量相对较高时，则出现该种损伤问题所需要的加热时间就越短。

3)σ相脆化

当炉管材料为奥氏不锈钢时，在长期高温的环境中工作，金属内部会产生Fe和Cr两种元素所组成的化合物，该种类型化合物主要是由铁素体转变而成，在转变的过程中，铁素体内会产生大量的奥氏体，然后转变为σ相，当炉管材料中的Cr元素含量超过18%以后，当温度达到600 ℃时就会出现σ相，这是一种脆相，σ相的存在会使得炉管的抗冲击能力下降，同时也会使得炉管的抗腐蚀能力下降。

2.4 外(热)应力引起的变形

1)炉管严重弯曲

一般情况下，炉管出现弯曲问题并不能说炉管已经被破坏，但是该种问题的出现会使得加热炉的运行受到严重的影响，在加热炉运行的过程中，如果迎火面金属的膨胀量相对较大，此时炉管就会出现严重的弯曲现象，炉管的应力就会逐渐在高温作用中松弛，即使此时加热炉停止工作，炉管也无法恢复到原来的状态，同时，如果炉管出现了弯曲问题，此时继续使用该种炉管会使得弯曲的速度增加，当曲率达到一定的数值以后，加热炉的炉管就会出现断裂现象。

2)爆裂破坏

2011年，我国某单位的加热炉在使用的过程中出现了严重的炉管爆裂问题，进而在炉管内也出现了起火问题，在后期事故原因调查的过程中发现，由于炉管的外表面存在一定的缺陷损伤，加上高温的作用，进而引发了该问题，炉管在日常运行的过程中，将会受到环向应力和轴向应力的共同作用，缺陷的存在会使得炉管的应力大幅降低，此时如果加热炉的运行压力升高，在高温的作用下，缺陷处的裂纹会加快扩展，当裂纹扩展到一定范围时，加热炉将无法承受应力的作用进而引发爆裂问题。

3 加热炉炉管损伤研究存在的问题分析

1)未充分考虑加热炉内介质的影响

加热炉可以根据使用现场的不同分为多种类型，每种类型加热炉所处的外界环境以及使用的燃料各不相同，燃料中组成成分的不同会对加热炉炉管损伤问题产生不同的影响，例如燃料中含有的硫化物、氢化物以及碳化物等成分的不同，会给加热炉的炉管带来不同的损失问题，尽管目前对于炉管损伤问题的研究较为全面，但是在研究过程中对加热炉内介质的考虑并不全面，这不利于加热炉使用企业根据自身的实际情况制定合理的防护方案。

2)未进行多种损伤因素联合影响研究

上述分析中指出，目前的加热炉损伤问题产生的原因相对较多，但是从实际来看，加热炉炉管的损失基本都是由多种因素共同作用的结果，或者在加热炉炉管使用的前期阶段，已经受到了某一作用产生了损伤问题，但是并没有出现风险事故，在后期阶段又受到另一种因素的影响进而引发了风险事故，在事故调查的过程中可能仅考虑了后者因素的影响，并没有考虑前一因素，这使得整个加热炉炉管损伤问题的研究十分不全面，在后期加热炉炉管使用的过程中，提高加热炉炉管质量所采取的相关措施也将变的不全面，这不利于加热炉领域的进一步发展。

3)未考虑加热炉内部变化对损伤的影响

在加热炉使用一段时间以后，加热炉内部必然产生了严重的变化，例如如果加热炉使用的燃料为原油，可能会在加热炉的内部产生严重的蜡沉积问题，蜡沉积问题的出现是否会对炉管损伤产生影响不得而知，同理，加热炉内其他内部现象的变化是否会对炉管损伤产生影响也不得而知，这说明目前对于加热炉损伤问题的研究并没有考虑加热炉内部变化的影响。

4)研究偏于理论

目前对于加热炉炉管损伤问题的研究主要是从金属损伤问题的角度出发对其进行研究，尽管在研究的过程中也结合了实际的加热炉炉管损伤现象，但是结合的力度不足，我国每年都会出现加热炉炉管损伤问题，并没有专业的研究人员对加热炉炉管损伤问题的原因进行深入的统计和分析，这使得大量的研究成果过于偏向于理论，在实际中并不适用。

4 加热炉炉管损伤研究展望

1)充分考虑介质因素对炉管损伤的影响

针对介质的影响因素问题，研究人员需要根据加热炉运行现场的实际情况不同以及加热炉所使用的燃料问题，对介质影响进行深入研究，研究的重点在与介质中硫化物、氢化物以及碳化物等物质的存在对加热炉炉管内部损伤的影响和外界环境中气体组分的不同对于加热炉炉管损伤问题的影响，同时，还需要在研究的过程中充分考虑这些物质的综合影响，根据研究结果，制定最合理的防护措施，以便于加热炉使用企业可以根据自身的实际情况选择最合理的防护措施，全面保障加热炉运行过程中的炉管安全。

2)应用仿真软件进行多影响因素联合作用研究

多影响因素联合作用的研究难度相对较大，对于单因素的研究而言，研究人员可以通过实验的方法进行研究，但是对于多因素影响而言，研究人员很难对实验环境进行准确的把控，同时研究所需要的成本相对较高，针对此问题，研究人员可以充分使用各种类型的仿真软件，例如ANSYS等，通过软件模拟的方式，对多因素联合影响进行充分研究，其研究结果必然会推动加热炉炉管损伤因素的全面发展，同时，这对于炉管的使用保护也十分有利。

3)研究过程考虑其他因素的影响

针对其他因素的影响问题，研究人员在进行深入研究的过程中，首先需要考虑加热炉内所使用的燃料，考虑每种类型的燃料在使用的过程中是否会产生沉积物，结合沉积物的主要成分，讨论这些成分是否会对加热炉炉管损伤问题产生重要影响，通过该种研究，可以指导加热炉使用企业对加热炉内的燃料进行合理的更换，以此防止出现炉管损伤问题。

4)结合实际进行研究

事实上，我国和国外发达国家每年都会出现大量的加热炉炉管损伤问题，但是并没有研究学者对炉管损伤问题的原因进行统计，如果进行实际统计，通过大数据分析的方法，必然会发现实际的损失原因和理论研究结果存在一定的出入，同时，结合实际情况进行的研究对于下一步制定炉管防护方案将更加有利，因此，建议相关学者在接下来的研究中结合实际情况进行。

5 结 语

在本次研究中，首先对加热炉炉管损伤问题出现以后所产生的后果进行了深入探讨，对目前加热炉炉管损伤问题引发的原因进行了现状研究，提出了目前研究中存在的问题，最后针对这些问题提出了该领域未来的发展方向，通过本次研究主要可以得出以下四条结论：

(1)与其他设备不同，加热炉炉管在出现失效问题以后是很难通过肉眼察觉的，且出现损失问题后不但会使得加热炉的运行效率严重下降，同时，还会引发更加严重的现场风险问题，在炉管出现损伤问题以后，并不能通过维修的方式进行解决，只能对炉管进行更换；

(2)目前的研究结果显示，引发炉管损伤问题的原因主要可以分为四大类，分别是腐蚀损伤、蠕变损伤、材质劣化以及外(热)应力引起的变形，腐蚀损失可以分为高温氧化减薄、高温硫化腐蚀、晶间腐蚀以及高温氢腐蚀，材料劣化主要可以分为渗碳、475 ℃脆性以及σ相脆化，外(热)应力引起的变形主要可以分为炉管严重弯曲以及爆裂破坏；

(3)目前对于加热炉炉管损伤问题的研究主要存在四大问题，分别是未充分考虑加热炉内介质的影响、未进行多种损伤因素联合影响研究、未考虑加热炉内部变化对损伤的影响以及研究偏于理论，这些问题的存在对于加热炉炉管领域的发展十分不利；

(4)未来相关学者需要从充分考虑介质因素对炉管损伤的影响、应用仿真软件进行多影响因素联合作用研究、研究过程考虑其他因素的影响以及结合实际进行研究四个角度出发，分别采取多项有效措施，加强加热炉炉管损伤问题的研究，以便加热炉使用企业可以采取最合理的防护方案，加强炉管保护，防止出现风险问题。