长效钢水热管在加热炉中的应用

周丽纯 汪李胜 颜祥富 钱志昂

作者通联：周丽纯 长岭设备研究所有限公司 湖南岳阳市 414012

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一、概述

中石化上海高桥分公司的800×104t/a常减压装置于2002年8月份正式投产，是当时最大常减压装置之一。为了使炉子热效率提高到92%，2007年采用了国内领先水平的新技术、新设备、新材料，对该加热炉进行技术改造，使之成为中国石化股份公司炼油示范加热炉之一。长岭设备研究所有限公司的长效钢水热管作为一种新技术，在改造中进行工业应用。

随着能源的日趋紧张，节能显得尤为重要。热管预热器作为一种高效节能设备，因其具有体积小、换热能力大、阻力小、可靠性高、维护简单、拆装方便等一系列优点，受到用户的普遍关注。然而，由钢水化学不相容性导致热管的工作寿命不长、传热性能不稳定的现象仍然存在。尽管在生产工艺流程及工质的配方研究对此有所考虑，但在实际的应用中仍显得不足，相当多的钢水热管的工作寿命都在两年左右，远不能满足现有生产周期的要求。

近几年，从对需要修复热管的检查情况看，因管外腐蚀穿孔造成热管失效的仅占热管总量的5%左右，大部分都是由于管内腐蚀产生不凝气体引起的失效。这些失效的热管，在进行切割时，不凝气体均会产生燃烧，个别台位的热管甚至产生爆燃，燃烧时间可持续1min左右，说明管内存在大量不凝气体（H2）。公司在2003年自主开发研究出热管在线氧化除氢技术，并用该技术对中石化近20家企业的60余台炉子的热管进行了更新或修复,取得了很好的节能效果，且使用寿命大幅延长。

二、热管失效分析及长效钢水热管的技术特性

1.失效分析

由于管材与工质的化学不相容性，使得钢水热管内部发生化学反应，产生不凝气体氢气。氢气越多，换热效果越不好，积聚到一定程度可以使热管完全失效，丧失传热功能。热管中管壁发生腐蚀产生氢气的原因有以下两方面：

（1）化学腐蚀。热管长时间在较高温度下工作，钢水会发生

化学反应，过程如下：

反应的结果使管壁发生腐蚀，产生FeO、Fe2O3和Fe3O4，同时产生一定量的不凝气体氢气。上述氧化膜除Fe3O4外，其余两种氧化层不能阻止水的侵入，仍要与铁继续反应，生成氢气。

（2）电化学腐蚀。在钢水热管内，铁、杂质和水构成一种原电池。其中，铁为阳极，杂质为阴极。杂质一般为FeC3、石墨等，为碳钢与水中所含。水的电离度虽小，但仍有少量的OH-和H+离子生成。管内主要的电化学反应过程如下：

可见H+得到两个电子的产物是H2，Fe（OH）2分解后得到的也有H2。在高温有水的条件下这种反应进行得很快，所以，普遍认为这是导致碳钢与水不相容的主要原因。

2.长效钢水热管的技术特性

公司生产的长效钢水热管的核心技术是：在热管管内采用新型不凝气消除技术，使热管运行过程中产生的不凝气在线转化成热管工质相似的物质，从而避免了热管运行过程中不凝气的积聚，确保热管高效长周期运行。主要特点是：

（1）常温下即可反应，比国外相关报道的反应温度76℃有较大降低，使得中低温条件下的除氢成为可能。

（2）可高效、长周期运行，有效使用寿命延长1倍以上。

在线除氢技术所使用的氧化除氢剂是由电极电位为正值的多种氧化剂复合而成。其反应机理为氧化还原反应。为使氧化除氢反应速度快、起始温度低，采用了催化反应及吸附机理技术，这些技术的引进与氧化剂复合配方优化几方面的良好结合，最终获得了热管内在线快速除氢氧化剂，其反应速度提高数倍，反应温度降至常温。反应后产物无毒、无腐蚀，能与管壁和工质很好相容。钢水热管由于钢水不相容导致热管传热性能失效，使用寿命短的问题得到了解决。

从强化试验所获得的红外热像图像看，新型长效热管的钢水等温性能极好，整个试验过程均无不凝气聚积区，而普通热管有明显的低温区，即不凝气聚积区，说明该氧化除氢剂对不凝气有很好的去除效果。

三、上海高桥示范炉应用情况

1.修复前热管检查情况

修复前热管结垢及腐蚀非常严重。其中有的热管从中间腐蚀断裂，有的热端底部堵头腐蚀掉落，还有的基管局部腐蚀穿孔，近200余支热管翅片因腐蚀而明显减薄，整批热管经检查传热性能失效。

2.应用效果

从表1测试情况看，预热器运行情况良好，排烟温度较改造前降低56℃，多回收的热量相当于年减少燃料耗量1700t左右，预热器部分投资改造回收期不到1年，节能效果明显。

3.存在问题

（1）该台位改造时因场地问题未设置空气旁路，在冬天气温较低时排烟温度过低易造成低温露点腐蚀，应尽可能想办法增设空气旁路或前置预热器，通过调节冷风量，合理控制排烟温度，有效控制低温露点腐蚀。

（2）热管结垢非常严重，说明燃料硫含量较高，建议对燃料采取脱硫措施并定期进行露点监测。

四、结语

新型长效钢水热管在示范炉中得到了很好的应用，始终处于高效运行状态，余热回收稳定，炉效率高，可以减少燃料耗量；另一方面，使用寿命较普通热管大幅提高，可最大限度的满足各不同开工周期的要求，因此，真正起到节能、降本双重增效作用，大大降低了企业的生产运行成本。

表1 改造前、后测试数据对比