直接式加热炉对流炉管的腐蚀和防护研究进展

夏浩

摘 要：文章简介了直接式加热炉对流室炉管的腐蚀状况，概述了对流室炉管的腐蚀过程和机理的研究进展，总结了几种提高对流室炉管耐蚀性的方法。

关键词：直接式加热炉 对流炉管 腐蚀

中图分类号：TE986 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0065-02

我国原油大部分为“三高”原油，即含蜡高、凝点高、粘度高，因此管道加热输送工艺广泛应用于我国大型输油管道系统中。原油加热炉作为长输管道中的主要设备之一，主要对管道内的原油进行加热，起到防凝降粘作用[1]。管道加热炉既不同于炼化企业的原油加热炉，也不同于油田企业的原油加热炉，这种加热炉必须具备排量大、承压高、压降小、负荷调节范围宽等特性。直接加热炉主要由以下四部分组成：辐射室、对流室、烟囱和燃烧器，其结构如图1[2]。

直接加热炉的加热过程是靠燃烧原油或者天然气进行加热烟气，由辐射室出来的烟气进行对流换热，对流室内密布多排钉头炉管，烟气以较大速度冲刷这些管子，对管内的原油进行有效的对流传热，同时烟气中携带的一些腐蚀性介质对炉管的腐蚀也较为严重，具有易爆的危险性，所以加热炉中炉管的腐蚀原因及其防护方法是值得我们研究分析的。

1 热炉对流室炉管腐蚀的原因

1.1 流室炉管的腐蚀状况和成分简介

根据某输油站加热炉的现场勘测，对流室炉管的腐蚀情况如下。

（1）对流室上部的钉头炉管表面腐蚀严重，炉管表面有大量的腐蚀坑，局部坑蚀严重，钉头管上均积累有大量浮灰和锈壳，锈壳的颜色大致有：暗黑色、灰黄色、黄色和白色，且一些锈壳与炉管表面结合较牢固，需用工具才能将其除去。相比对流室上部炉管，对流室下部钉头管腐蚀较轻，仅有一层薄薄的橙色铁锈，炉管表面无浮灰和锈壳。

（2）对流室弯头箱上部的保温棉吸附了大量的水，弯头管已被裹上了一层“湿棉袄”，弯头部位发生了轻微的点蚀，产物为黄褐色和浅黄色，但在弯头根部，腐蚀严重，大块腐蚀锈层产物层状剥离，并可以清楚地看到有腐蚀冷凝液向下流动的痕迹，腐蚀产物为黑褐色片状，含少量黄色产物。而弯头箱下部的炉管腐蚀较轻微，几乎保持着热轧钢管蓝色氧化皮外观。

通过X-射线衍射分析仪（XRD）对腐蚀产物进行相分析，结果表明炉管表面的腐蚀产物主要成分是铁的各种氧化物、碳酸化合物、硫化物以及硫氧化合物。

1.2 对流室炉管的腐蚀原因[2-3]

对流室炉管的腐蚀过程是比较复杂的，有五种腐蚀原因是国内学者比较认可的主要腐蚀原因，这五种原因共同导致了对流室炉管的腐蚀。

（1）硫酸露点腐蚀。

由于燃烧的原油中都含有少量的硫，燃烧后生成SO2，在一定条件下少量的SO2被O2氧化生成SO3，当烟气温度在400℃以下时，SO3与烟气中的水蒸气化合成硫酸蒸气凝结成稀硫酸，此时的温度称为硫酸露点。当对流管壁温度低于酸露点时，硫酸蒸气就凝结在管壁上产生低温露点腐蚀，此过程即为：

S+O2→SO2；

SO2+O2→SO3；

SO3+H2O→H2SO4（气态）→H2SO4（液态）；

Fe+H2SO4→FeSO4+H2。

（2）高温硫化腐蚀。

通常是指高温下炉管与单质硫或硫化合物发生的反应而导致的腐蚀。有学者认为在高温情况下，金属与硫反应的速度比氧化反应快得多，其主要原因为：①硫化物的扩散系数大于氧化物的扩散系数；②硫化物稳定相的数目多；③硫化物的熔点比氧化物的低，金属可与这些硫化物形成低熔点的共晶物，进而导致加速硫化；④金属硫化物的分子体积大于氧化物，硫化物分子体积大，硫化物产生的应力比氧化物产生的应力大许多，易使硫化层破裂，从而加速金属的硫化。

（3）CO2的腐蚀。

有些加热炉并未采用原油作为燃烧的原料，而是使用无硫天然气进行燃烧加热的，但是对流室炉管仍发生了严重酸蚀，形成的腐蚀产物中含有碳酸铁，有些学者便进行了CO2的腐蚀分析。一般认为当PCO2>0.02 MPa时，就会发生CO2的电化学腐蚀，并当PCO2>0.2 MPa时会发生严重的CO2的电化学腐蚀。就环境温度而言，在100℃附近，碳钢与CO2易于发生严重的腐蚀。

仪器测得加热炉对流室上部的CO2分压在0.07 MPa以上，温度为102.7℃，此处的温度环境正好适合CO2的电化学腐蚀的发生，同时烟气成分中高的含水量以及大量冷凝水的生产，正好为CO2的电化学腐蚀提供了良好的外部环境，导致CO2电化学腐蚀的发生。其腐蚀过程是CO2与含水蒸气的烟气一起在对流室流动时，与附着在壁面上的冷凝水膜接触生成碳酸，使凝结水膜的pH值降低到5.5以下，并吸附在炉管表面对炉管进行去氢去极化腐蚀，反应式为：

Fe+H2CO3→FeCO3+H2。

（4）氧的腐蚀。

一些学者认为在对流室底部，炉管承受的烟气温度在500℃～650℃，在高温条件下，空气中的氧与金属直接作用，生成铁的氧化物；也有学者认为在一定的温度下，炉管管壁上有水的情况下，Fe与O2是能直接反应的，产生氧去极化腐蚀。在对流室炉管管壁上，氧气充分扩散到壁面上的冷凝水中，与炉管反应对炉管壁进行腐蚀，反应式为：

Fe+O2+H2O→FeO（OH）；

FeO（OH）→Fe2O3+H2O。

（5）灰垢的危害。

由于加热炉燃料油中含有Fe、Ni、V、Ca等金属元素，它们在燃烧后将形成金属氧化物或SO2、SO3，以及燃料不完全燃烧产生的碳粒子，这些物质在烟气中存在，并随烟气运动，沉积在换热管的表面形成粘性积灰、疏松积灰、高温积灰，同时炉壁上在有冷凝水的情况下，便加剧了炉管的腐蚀。

2 流室炉管的防护endprint

2.1 炉管金属材料的选择

由于加热炉炉管的腐蚀较为严重，炉管金属材料的选择尤为重要，目前，尚没有能完全防止露点腐蚀的理想材料，有文献表明多数高铬镍钢在抗低温腐蚀方面甚至比碳钢还差，这个结论说明决不能盲目采用昂贵的不锈钢解决低温露点腐蚀问题。某输油管线采用了不锈钢空气预热器，投运半年后即腐蚀穿孔，其寿命只有原碳钢空气预热器的一半，事实完全证明采用昂贵的铬镍合金钢，经济上、技术上都是不合理的，所以要具有加热炉炉管特殊防腐的金属材料还需要我们继续研究开发。

2.2 炉管的表面处理[3]

对炉管进行表面处理也是加强炉管耐蚀性的一种有效方法，对钢炉管外表面进行非金属涂层或金属涂层，效果良好，有些加热炉已经采用了这些方法。

（1）非金属涂层。

某些有机涂层的耐酸性好，防腐性能佳，是能很好的对炉管进行防护，但有些有机涂层使用温度低，例如，聚四氟乙烯塑料涂层，其使用温度为260℃以下，而且其导热系数低，涂覆在炉管表面会影响其传热效率，所以此种防腐方法并不是很理想。

国外曾采用过搪玻璃涂层对炉管进行防腐处理，这种无机涂层能够很好的解决低温露点腐蚀，但工艺复杂，需采用特殊的“搪玻璃用脱碳钢板”，要求较高，在国内并没有得到很好的推广。

（2）金属涂层。

对加热炉炉管进行喷镀铝合金或镀镍处理，这种涂层耐酸性好，对温度要求不高，能够很好的保护加热炉炉管，延长其使用寿命。国内很早就开始研究对流室炉管表面金属喷镀，采用高纯度铝加入微量其他合金元素作为喷镀材料的气喷镀法，在经预处理的对流光管或钉头管表面，均匀严密地覆盖镀层，其耐蚀效果很好。

近来，国内开始尝试对对流室炉管进行化学镀镍处理，得到的镍磷镀层光亮，耐蚀性甚佳，而且此种方法工艺成熟，操作简单，经济可靠，是值得推广应用的。

2.3 炉管表面灰垢的清洗

加热炉正常运行的情况下，对流室炉管一般采用蒸汽吹灰、声波吹灰等机械清灰，在停工检修期间还要进行对流室炉管化学清洗清灰。

为解决对流室炉管的积灰问题，加热炉上一般都安装吹灰器（见图1），国内加热炉使用的吹灰器有CQB-B型气动旋转式吹灰器和HBP型声波吹灰器两种。气动吹灰器喷射高压空气，直接作用于对流管表面，对尘灰、结炭具有显著的除尘效果，但存在吹灰死区，且吹灰管容易锈蚀，不能自转，吹灰范围变窄。HBP型除灰器低耗能、体积小、安装灵活方便、自动运行、系统简单、维护量小，除灰范围广，不存在除灰死区、死角，但是在直达声波段以外，随着声波能的降低，除灰效果下降，所以其吹灰效果不如气动吹灰器。在加热炉运行过程中，吹灰器对炉管上的积灰、结焦具有明显的清除和抑制作用，提高了加热炉的炉效，延长了加热炉炉管的使用寿命。

虽然吹灰器能够很好的抑制炉管表面积灰，但在加热炉停工检修时发现，对流室炉管表面的积灰情况仍然较严重，还需要对其进行彻底清灰，其中干冰清灰技术和化学清洗清灰钝化技术较为突出。干冰清灰是以压缩空气为动力，以干冰颗粒为被加速粒子，通过清洗机喷射到炉管表面，将炉管表面的积灰、积盐迅速冷冻，使其凝结、脆化、剥离。与喷沙清灰、水洗清灰相比，干冰清灰可以减少灰尘对环境的污染，确保加热炉保温材料不受破坏。化学清洗清灰钝化技术是在清洗液中加入了高效缓蚀剂和钝化剂，可减轻对设备的腐蚀，具有高效除灰垢、除锈、钝化的特点，并在炉管外壁形成钝化保护膜。目前，该技术已广泛应用于炼油化工企业中以重油、天然气做燃料的加热炉对流室炉管外壁的清洗。在清洗过程中，采用特殊的施工方法保护炉衬不被清洗液淋湿。

2.4 合理操作，定期检修[3]

采用原油作为燃料燃烧加热，烟气中含硫量高，使得对流室炉管腐蚀严重，而天然气中含硫量低，用天然气作为燃料能够预防低温硫酸腐蚀。在加热炉运行过程中，严格控制加热炉运行参数，确保加热炉排烟温度高于烟气露点温度，防止低温露点腐蚀。安装加热炉工业电视监控系统，对加热炉进行监控，定期检查维修。

3 结语

直接式加热炉对流室炉管的严重腐蚀，极大的影响了加热炉的正常运行，其腐蚀原因的研究观点也基本统一，而其防护技术并不成熟，例如金属镀层的应用并没有得到很好的验证与推广，所以其防护方法还需要我们继续研究。

参考文献

[1] 朱东志.长输管道原油加热炉现状及发展趋势[J].油气储运，2006，25（5）：40-42.

[2] 綦耀光，刘佳男.原油直接式加热炉炉管失效机理及安全评价方法[J].石油矿场机械，2010，39（8）：87-90.

[3] 荣.原油加热炉炉管腐蚀与预防[J].管道技术与设备，2004（5）：42-43.endprint

2.1 炉管金属材料的选择

由于加热炉炉管的腐蚀较为严重，炉管金属材料的选择尤为重要，目前，尚没有能完全防止露点腐蚀的理想材料，有文献表明多数高铬镍钢在抗低温腐蚀方面甚至比碳钢还差，这个结论说明决不能盲目采用昂贵的不锈钢解决低温露点腐蚀问题。某输油管线采用了不锈钢空气预热器，投运半年后即腐蚀穿孔，其寿命只有原碳钢空气预热器的一半，事实完全证明采用昂贵的铬镍合金钢，经济上、技术上都是不合理的，所以要具有加热炉炉管特殊防腐的金属材料还需要我们继续研究开发。

2.2 炉管的表面处理[3]

对炉管进行表面处理也是加强炉管耐蚀性的一种有效方法，对钢炉管外表面进行非金属涂层或金属涂层，效果良好，有些加热炉已经采用了这些方法。

（1）非金属涂层。

某些有机涂层的耐酸性好，防腐性能佳，是能很好的对炉管进行防护，但有些有机涂层使用温度低，例如，聚四氟乙烯塑料涂层，其使用温度为260℃以下，而且其导热系数低，涂覆在炉管表面会影响其传热效率，所以此种防腐方法并不是很理想。

国外曾采用过搪玻璃涂层对炉管进行防腐处理，这种无机涂层能够很好的解决低温露点腐蚀，但工艺复杂，需采用特殊的“搪玻璃用脱碳钢板”，要求较高，在国内并没有得到很好的推广。

（2）金属涂层。

对加热炉炉管进行喷镀铝合金或镀镍处理，这种涂层耐酸性好，对温度要求不高，能够很好的保护加热炉炉管，延长其使用寿命。国内很早就开始研究对流室炉管表面金属喷镀，采用高纯度铝加入微量其他合金元素作为喷镀材料的气喷镀法，在经预处理的对流光管或钉头管表面，均匀严密地覆盖镀层，其耐蚀效果很好。

近来，国内开始尝试对对流室炉管进行化学镀镍处理，得到的镍磷镀层光亮，耐蚀性甚佳，而且此种方法工艺成熟，操作简单，经济可靠，是值得推广应用的。

2.3 炉管表面灰垢的清洗

加热炉正常运行的情况下，对流室炉管一般采用蒸汽吹灰、声波吹灰等机械清灰，在停工检修期间还要进行对流室炉管化学清洗清灰。

为解决对流室炉管的积灰问题，加热炉上一般都安装吹灰器（见图1），国内加热炉使用的吹灰器有CQB-B型气动旋转式吹灰器和HBP型声波吹灰器两种。气动吹灰器喷射高压空气，直接作用于对流管表面，对尘灰、结炭具有显著的除尘效果，但存在吹灰死区，且吹灰管容易锈蚀，不能自转，吹灰范围变窄。HBP型除灰器低耗能、体积小、安装灵活方便、自动运行、系统简单、维护量小，除灰范围广，不存在除灰死区、死角，但是在直达声波段以外，随着声波能的降低，除灰效果下降，所以其吹灰效果不如气动吹灰器。在加热炉运行过程中，吹灰器对炉管上的积灰、结焦具有明显的清除和抑制作用，提高了加热炉的炉效，延长了加热炉炉管的使用寿命。

虽然吹灰器能够很好的抑制炉管表面积灰，但在加热炉停工检修时发现，对流室炉管表面的积灰情况仍然较严重，还需要对其进行彻底清灰，其中干冰清灰技术和化学清洗清灰钝化技术较为突出。干冰清灰是以压缩空气为动力，以干冰颗粒为被加速粒子，通过清洗机喷射到炉管表面，将炉管表面的积灰、积盐迅速冷冻，使其凝结、脆化、剥离。与喷沙清灰、水洗清灰相比，干冰清灰可以减少灰尘对环境的污染，确保加热炉保温材料不受破坏。化学清洗清灰钝化技术是在清洗液中加入了高效缓蚀剂和钝化剂，可减轻对设备的腐蚀，具有高效除灰垢、除锈、钝化的特点，并在炉管外壁形成钝化保护膜。目前，该技术已广泛应用于炼油化工企业中以重油、天然气做燃料的加热炉对流室炉管外壁的清洗。在清洗过程中，采用特殊的施工方法保护炉衬不被清洗液淋湿。

2.4 合理操作，定期检修[3]

采用原油作为燃料燃烧加热，烟气中含硫量高，使得对流室炉管腐蚀严重，而天然气中含硫量低，用天然气作为燃料能够预防低温硫酸腐蚀。在加热炉运行过程中，严格控制加热炉运行参数，确保加热炉排烟温度高于烟气露点温度，防止低温露点腐蚀。安装加热炉工业电视监控系统，对加热炉进行监控，定期检查维修。

3 结语

直接式加热炉对流室炉管的严重腐蚀，极大的影响了加热炉的正常运行，其腐蚀原因的研究观点也基本统一，而其防护技术并不成熟，例如金属镀层的应用并没有得到很好的验证与推广，所以其防护方法还需要我们继续研究。

参考文献

[1] 朱东志.长输管道原油加热炉现状及发展趋势[J].油气储运，2006，25（5）：40-42.

[2] 綦耀光，刘佳男.原油直接式加热炉炉管失效机理及安全评价方法[J].石油矿场机械，2010，39（8）：87-90.

[3] 荣.原油加热炉炉管腐蚀与预防[J].管道技术与设备，2004（5）：42-43.endprint

2.1 炉管金属材料的选择

由于加热炉炉管的腐蚀较为严重，炉管金属材料的选择尤为重要，目前，尚没有能完全防止露点腐蚀的理想材料，有文献表明多数高铬镍钢在抗低温腐蚀方面甚至比碳钢还差，这个结论说明决不能盲目采用昂贵的不锈钢解决低温露点腐蚀问题。某输油管线采用了不锈钢空气预热器，投运半年后即腐蚀穿孔，其寿命只有原碳钢空气预热器的一半，事实完全证明采用昂贵的铬镍合金钢，经济上、技术上都是不合理的，所以要具有加热炉炉管特殊防腐的金属材料还需要我们继续研究开发。

2.2 炉管的表面处理[3]

对炉管进行表面处理也是加强炉管耐蚀性的一种有效方法，对钢炉管外表面进行非金属涂层或金属涂层，效果良好，有些加热炉已经采用了这些方法。

（1）非金属涂层。

某些有机涂层的耐酸性好，防腐性能佳，是能很好的对炉管进行防护，但有些有机涂层使用温度低，例如，聚四氟乙烯塑料涂层，其使用温度为260℃以下，而且其导热系数低，涂覆在炉管表面会影响其传热效率，所以此种防腐方法并不是很理想。

国外曾采用过搪玻璃涂层对炉管进行防腐处理，这种无机涂层能够很好的解决低温露点腐蚀，但工艺复杂，需采用特殊的“搪玻璃用脱碳钢板”，要求较高，在国内并没有得到很好的推广。

（2）金属涂层。

对加热炉炉管进行喷镀铝合金或镀镍处理，这种涂层耐酸性好，对温度要求不高，能够很好的保护加热炉炉管，延长其使用寿命。国内很早就开始研究对流室炉管表面金属喷镀，采用高纯度铝加入微量其他合金元素作为喷镀材料的气喷镀法，在经预处理的对流光管或钉头管表面，均匀严密地覆盖镀层，其耐蚀效果很好。

近来，国内开始尝试对对流室炉管进行化学镀镍处理，得到的镍磷镀层光亮，耐蚀性甚佳，而且此种方法工艺成熟，操作简单，经济可靠，是值得推广应用的。

2.3 炉管表面灰垢的清洗

加热炉正常运行的情况下，对流室炉管一般采用蒸汽吹灰、声波吹灰等机械清灰，在停工检修期间还要进行对流室炉管化学清洗清灰。

为解决对流室炉管的积灰问题，加热炉上一般都安装吹灰器（见图1），国内加热炉使用的吹灰器有CQB-B型气动旋转式吹灰器和HBP型声波吹灰器两种。气动吹灰器喷射高压空气，直接作用于对流管表面，对尘灰、结炭具有显著的除尘效果，但存在吹灰死区，且吹灰管容易锈蚀，不能自转，吹灰范围变窄。HBP型除灰器低耗能、体积小、安装灵活方便、自动运行、系统简单、维护量小，除灰范围广，不存在除灰死区、死角，但是在直达声波段以外，随着声波能的降低，除灰效果下降，所以其吹灰效果不如气动吹灰器。在加热炉运行过程中，吹灰器对炉管上的积灰、结焦具有明显的清除和抑制作用，提高了加热炉的炉效，延长了加热炉炉管的使用寿命。

虽然吹灰器能够很好的抑制炉管表面积灰，但在加热炉停工检修时发现，对流室炉管表面的积灰情况仍然较严重，还需要对其进行彻底清灰，其中干冰清灰技术和化学清洗清灰钝化技术较为突出。干冰清灰是以压缩空气为动力，以干冰颗粒为被加速粒子，通过清洗机喷射到炉管表面，将炉管表面的积灰、积盐迅速冷冻，使其凝结、脆化、剥离。与喷沙清灰、水洗清灰相比，干冰清灰可以减少灰尘对环境的污染，确保加热炉保温材料不受破坏。化学清洗清灰钝化技术是在清洗液中加入了高效缓蚀剂和钝化剂，可减轻对设备的腐蚀，具有高效除灰垢、除锈、钝化的特点，并在炉管外壁形成钝化保护膜。目前，该技术已广泛应用于炼油化工企业中以重油、天然气做燃料的加热炉对流室炉管外壁的清洗。在清洗过程中，采用特殊的施工方法保护炉衬不被清洗液淋湿。

2.4 合理操作，定期检修[3]

采用原油作为燃料燃烧加热，烟气中含硫量高，使得对流室炉管腐蚀严重，而天然气中含硫量低，用天然气作为燃料能够预防低温硫酸腐蚀。在加热炉运行过程中，严格控制加热炉运行参数，确保加热炉排烟温度高于烟气露点温度，防止低温露点腐蚀。安装加热炉工业电视监控系统，对加热炉进行监控，定期检查维修。

3 结语

直接式加热炉对流室炉管的严重腐蚀，极大的影响了加热炉的正常运行，其腐蚀原因的研究观点也基本统一，而其防护技术并不成熟，例如金属镀层的应用并没有得到很好的验证与推广，所以其防护方法还需要我们继续研究。

参考文献

[1] 朱东志.长输管道原油加热炉现状及发展趋势[J].油气储运，2006，25（5）：40-42.

[2] 綦耀光，刘佳男.原油直接式加热炉炉管失效机理及安全评价方法[J].石油矿场机械，2010，39（8）：87-90.

[3] 荣.原油加热炉炉管腐蚀与预防[J].管道技术与设备，2004（5）：42-43.endprint