渣油加氢装置反应进料加热炉管弯曲问题分析

摘 要：文章通过对某厂渣油加氢装置反应进料加热炉管弯曲问题进行分析，阐释了导致炉管弯曲的几种因素，并有针对性地提出了相应的改善方法。

關键词：炉管弯曲;偏流;热应力;支架

1 前言

加氢反应进料加热炉是加氢装置中必不可少的核心设备之一，是原料油升温至反应温度的核心热源，是保证装置安全有效运行的基本热量来源。该装置为炉前混氢工艺，因介质较重，易结焦且为两相流，为了避免出现不利流型，选用单排双面辐射卧管立式炉，以满足工艺需要。

为提高反应进料加热炉高合金炉管的利用率，同时解决管系的膨胀问题，将原料段只布置在辐射室。考虑到炉管在高度方向受热均匀问题、管架的膨胀问题以及炉管的稳定问题，辐射管排的高度设置为5.3m，炉管长度22m，等间距设置8组滚动支撑，在加热炉壁进出口设置导向管。加热炉进出口管道在炉前设置有水平及垂直平面内的“π”型弯，并设有弹簧支架，以减小管道与加热炉管的热胀对炉管的影响。

2 概况

2.1 加热炉管检测

图1  辐射室内“架空”故障炉管照片

图2  一层平台看火孔测试点分布图及测试数据-1

该装置在投产2年6个月后的一次巡检中发现，反应进料加热炉F-101辐射室部分炉管出现架空悬空故障。其中 F-101Ⅱ辐射室目视可见卧式炉管脱离支撑架托悬在空中，炉管弯曲变形明显（见图1）。

装置于6月20日进行了相应的工艺降温处理。某设备研究所节能环境监测中心于2018年6月21日对该炉Ⅰ/Ⅱ两个辐射室的炉管进行了全面红外热成像测试。

测得渣油加氢装置反应进料加热炉F-101看火孔炉管表面温度数据如图2。

根据测得的数据绘制炉管温度趋势图如图3。

图3  F-101Ⅰ炉管东西侧面温度趋势

2.2 加热炉进出口管道研究

加热炉结构为顶部两个水平入口和底部两个水平出口，炉管水平布置。

由于渣油粘度高，易发生偏流现象，加热炉进出口管道严格对称布置，且符合工艺包的直管段要求。加热炉进出口管道与加热炉管作为一个整体，采用Caesar II工程软件进行了全面的应力分析，在适当的位置设置导向及限位支架，避免操作工况下管道热胀对加热炉管产生附加应力。

加热炉管发生弯曲变形以后，管道设计及应力工程师对该管系进行了应力核算，确认支架设置无问题，未对加热炉管产生额外的作用力。现场也对加热炉进出口管道的支架进行了全面检查，确认管道支架的形式与安装无问题，弹簧热位移与设计值相符，未出现脱空或卡死的情况。

3 结论

3.1 加热炉管

①渣油加氢反应进料加热炉F-101为单排卧管双面辐射底烧方箱加热炉，其辐射室炉管材质为TP347H，该炉管材质最高使用温度为 815℃，抗氧化极限温度为850℃，此炉前混氢炉管正常最高管壁金属温度为 570℃。测试工况条件下，辐射室炉管表面温度的综合算术平均值分布在496℃～566℃之间，属正常操作状态;

②根据反应进料加热炉 F-101辐射室四周看火孔的炉管表面温度测试数据，F101辐射室炉管东西两侧面外壁表面温度趋势分布不均匀的情况，判断 F-101 辐射室部分炉管出现架空悬空故障与燃烧器火焰燃烧不均匀和炉管表面受热不均等因素有关;

③根据现场检查，加热炉管穿墙导向管的情况，F-101Ⅱ 辐射室南端穿墙导向管底部与炉管接触面明显紧于F-101Ⅰ辐射室南端穿墙导向管底部与炉管接触面，判断炉管穿墙处定位安置不合理，穿墙导向管上部开口间距大，表明穿墙处产生卡阻进而造成炉管挠性弯曲的可能性较大，而且随着炉管温度升高，挠性弯曲会逐渐增大。力系缺陷造成炉管位移未能完全吸收炉管的受热变形，从而导致部分炉管弯曲变形架空悬空。

3.2 加热炉进出口管道

依本文2.2条所述，加热炉进出口管道完全对称布置，且合理地采用了导向和限位支架，确保工艺管道在操作工况下不对加热炉管产生额外的附加力。支架设置合理，弹簧工作正常，可以初步排除由于工艺管道的原因导致加热炉管的弯曲变形。

3.3 加热炉管结焦

根据以往经验，渣油加氢装置反应进料加热炉管易发生结焦现象，且一旦发生，发展速度非常快。如果两侧炉管内部的结焦程度不同，更容易导致偏流加剧。由于炉管内部结焦不均匀，就可能导致炉管周向受热不均，从而引起炉管的弯曲变形。

4 解决方案

综上所属，对于加热炉管，建议：

①控制炉管周向温差，尽量保证炉膛内炉管周向温度分布均匀;在工艺条件不变的情况下，加强燃烧器的调节，使辐射室内温度热场分布均匀;

②采用红外热成像定期跟踪监测，以便及时掌握故障炉管的温度变化趋势;

③对辐射室南端穿墙导向管处的炉管进行划线定位，由当班操作员巡检时检查炉管是否有过轴向位移，进而确定是否存在穿墙处截面卡阻限制因素;

④在大修期间需对炉管进行宏观检查、管径测量、超声波测厚、硬度试验、金相组织等分析;并对辐射室南端出口炉管处的力系设计进行确认;

⑤在大修期间对弯曲变形严重的管道内部进行检查，确认是否存在结焦严重不对称的情况，再根据实际情况研究分析解决的方案。

参考文献：

[1]陈孙艺.加热炉管的失效形式及分析[J].乙烯工艺，2007.

[2]章许云.管式加热炉炉管结焦分析[J].安全密封，2010.

作者简介：

崔芳（1986- ），女，汉族，河北涿州人，硕士学历，中石化洛阳工程有限公司，工程师，研究方向：石油化工管道设计。