时间：2022-04-09 02:02:07
摘要： 文章根据加热炉炉管壁厚检测及理论计算数据，分析了加热炉用碳钢炉管长期服役后化学成份、壁厚及新工况下管壁金属温度上限值等可靠性指标，结合L-M参数方法，从设计和操控角度提出了加热炉炉管合理使用措施。
Abstract： According to the wall thickness detection of furnace tube and theoretical calculation data of the heating furnace， this paper analyzes the reliability indexes of the chemical composition and wall thickness of carbon steel furnace tubes of the heating furnace after long term service， and the upper limit value of the tube wall metal temperature under the new condition. Combined with L-M parametric method， the reasonable measures of heating furnace tube are put forward from the angle of design and manipulation.
关键词： 管式炉；炉管；L-M参数法；壁厚
Key words： tube furnace；furnace tube；L-M parametric method；wall thickness
中图分类号：TQ054 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）04-0105-02
1 问题提出
管式加热炉是炼油装置中技术含量相对较高、结构较复杂的非标设备。在实际生产中，随着其服役装置性质、工况条件的变化，对面临超期服役且投资≮65%主要承压部件炉管进行安全分析一直受到广泛关注。本文以克拉玛依炼厂一改造加热炉20#炉管为例，对工况变化的在役炉管重新评定，确定其报废或利旧问题。
待评定炉管原用于重整装置重沸炉，规格152mm×8mm，设计压力10MPa，设计温度360℃，设计寿命10a。该炉已运行11a，超出设计年限，但检修无异常且计划用于航煤加氢装置重沸炉，设计压力1.1MPa，设计温度295℃，操作压力和操作温度都有不同幅度降低。如继续使用，必须对炉管进行安全分析及实际检测，综合评估设计要求和现场实际情况，避免超出设计寿命但仍可继续使用的炉管被提前更换，从而降低企业的投资成本并确保设备安全可靠运行。
2 材质理化成份检测
首先通过直读光谱仪对炉管进行化学成份检测，检测结果见表1。数据表明检测炉管的化学成份符合标准，仍具有良好机械性能。
同时，炉管外外表面平滑无腐蚀，内壁有结焦现象，焦层厚度约0.5mm，清除后露出光滑表面。对直管段及湍流流动明显部位（弯头、入口管、转油线处等）进行选择性随机测厚，测得最小壁厚7.36mm，说明经过十多年运行，该炉管壁厚减薄量较小，炉管表面腐蚀较轻。
3 壁厚强度校核
原装置重沸炉炉膛温度600℃，最高管壁金属温度455℃，炉管长期在接近其最高使用温度的高温环境中服役，其高温力学性能显著下降，许用应力降低，因此若继续使用，必须在新工况下从弹性设计和断裂设计两方面对炉管进行最小壁厚校核[1]：
其中：p――炉管操作压力，根据API530规定，取为泵关闭压差3.84MPa；D0――炉管外径152 mm；[σ]――操作条件下炉管材质的许用应力，炉管最高管壁金属温度为280℃，20#在此温度弹性许用应力为85.22MPa，将以上数据代入式（1），得最小计算壁厚为3.31mm，腐蚀裕量为3mm，计算得炉管平均厚度为7.22mm。由于在此温度时未达到断裂设计基础，无需断裂计算。比较实测炉管壁厚，满足强度要求。同时管壁最高热应力σth=3.65MPa，小于一次加二次应力强度限制值和热应力棘齿限制值，满足热应力限制条件。
4 管壁金属温度上限值计算
对工况变化的加热炉炉管评估，温度是极其关键的指标，它可以成为加热炉炉管材料损伤机制发生改变的判断依据。温度低时，腐蚀损伤占主导作用；随着温度的升高，损伤机制随之改变，一般对碳钢炉管当温度高于350℃时，炉管蠕变断裂起主要作用。此时可通过钢材应力曲线关联炉管平均应力和炉管平均断裂强度，在再服役时间一定时，由L-M参数σ'确定出炉管最高管壁金属温度限制值，比较实际操作温度，定量确定出新工况中为使炉管继续使用的温度限制。
根据中径公式，应力为压力、腐蚀速率函数，即σ = f（p，R），在设计压力、腐蚀速率一定时，计算得出本炉管平均应力σ = 3.84*（152-8）/（2*7.36）MPa=37.57MPa，由碳钢应力曲线查得平均断裂应力为18.2MPa。定义再服役时间为86400h，取C=20，根据σ'计算公式得出操作温度上限为456.7℃，远高于设计最高管壁金属温度295℃，在设计范围内。
5 结论
综合上述检测及校核计算数据，在新工况下炉管服役一个周期是安全可靠的，可以利旧。此炉管现已安全运转一年有余，实际证明上述对碳钢炉管指标的考核是正确的。同时测厚仪器检测的对流室及辐射室5组炉管数据（图1）表明：由于对流炉管管壁金属温度较低，更易发生低温腐蚀，导致加热炉对流室炉管减薄较辐射室炉管严重，从而影响整座加热炉的服役寿命。图2为炉内介质流动方向示意图。
由此可以看出，炉管使用过程中加强对流炉管的检测更新力度或设计中在炉管内径相同时适当增加对流炉管壁厚，一定程度上可避免更换炉管造成大面积更换炉衬的施工难度，保证整座加热炉正常运行；另一方面研究表明，炉管外壁的高温氧化和内壁的点蚀坑蚀是炉管失效的主要因素，两者共同作用引起炉管壁厚减薄，表现为炉管承载能力下降直至因强度不足而失效[2]。由于外壁氧化不可避免，尤其是距火焰较近的向火面炉管，氧化尤为严重；内壁的腐蚀不易检查，所以必须严格按工艺条件操作，使温度场均匀分布，在保证热效率前提下，确保排烟温度、管壁金属温度均高于露点温度，降低外部因素对炉管的腐蚀程度。
参考文献：
[1]中国石化集团洛阳石油化工工程公司.炼油厂加热炉炉管壁厚计算[M].北京：中国石化出版社，2002.
[2]陶文亮.加热炉炉管的失效模式和寿命预测[J].重庆大学学报（自然科学版），2006，29（4）：42-46.
[3]赵振荣.加热炉炉管剩余强度和寿命评估[J].石油化工腐蚀与防护，2006（02）.
[4]陈孙艺.加热炉管的失效形式及分析[J].乙烯工业，2007（03）.