Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)
.pdfКроме того, большое значение имеют температуpа нагрева и давление сырья, скорость движения потоков, а также коррозионная стойкость материала печных труб.
При содержании в сырье хлоридов, сернистых соединений и серы нагрев его до высоких температур приводит к распаду указанных компонентов и образованию агрессивной среды.
Хрупкое разрушение печных труб
В результате воздействия агрессивных сред и длительного пребыванияпечныхтрубпривысокихтемпературахидавлениимикроструктура сталипретерпеваетзначительныеизменения,чточастосопровождается снижением характеристик прочности и пластичности, т.е. возникает свойство «тепловой хрупкости».
Различают тепловую хрупкость первого и второго рода. Тепловая хрупкость первого рода заключается в обратимом снижении ударной вязкости стали, которая может быть восстановлена термообработкой. Тепловая хрупкость второго рода характеризуется необратимым процессом, т.е. сталь не может получить первоначальные ударную вязкость
ипластичностьпритермообработке,посколькувматериалеобразуются микротрещины. Естественно, что изменения свойств стали, обусловливающие ее тепловую хрупкость, крайне нежелательны и опасны, так как могут привести к авариям во время эксплуатации печей.
Хрупкое разрушение печных труб возможно на установках каталитического риформинга. Перерабатываемое углеводородное сырье
иводород при 530…600°С и избыточном давлении 2…5 МПа, воздействуя на печные трубы, вызывают поверхностное науглероживание. Глубина науглероживания труб из стали 15Х5М в этих условиях достигает 3,5…5,0 мм за 7…8 лет эксплуатации. Кроме того, при длительной работе в установленном режиме в сталях происходят структурные изменения. Эти изменения, приводящие к снижению механических характеристик прочности и пластичности, получили название «водородной хрупкости» или водородной коррозии.
Основными технологическими мерами, предупреждающими наступление «охрупчивания» металла труб, являются:
— своевременное удаление осадков с поверхности труб очисткой или промывкой водой;
— постепенное охлаждение печей при остановке их на ремонт.
Местная деформация печных труб и образование отдулин
На промышленных установках каталитического и термического крекинга, АВТ, AT и других установках в период эксплуатации в трубчатых змеевиках откладываются кокс и различные соли. Отложение
161
их в печах прямой переработки нефти становится особенно заметным при содержании в ней солей более 0,4 мг/см3.
Кокс и соли в печах каталитического крекинга и термокрекинга откладываются очень быстро при внезапных нарушениях нормальных рабочих условий технологического процесса, в частности при резких колебаниях температурного режима и изменениях качества перерабатываемого сырья (особенно при повышении содержания в нем смол). Отложившийся в печных трубах слой кокса и солей является плохим проводником тепла, поэтому интенсивность передачи тепла сырью снижается.
Дляподдержаниятехнологическогорежимаобслуживающийперсонал обычно усиливает шуровку топки. При большом тепловом напряжении топочного пространства и плохой передаче тепла сырью наблюдается местный перегрев стенок труб, которые начинают подвергаться пластической деформации: при высоком внутреннем давлении сырья в наиболее слабых местах труб происходит раздувание стенок.
Отдулины обычно возникают с тех сторон печных труб, которые обращены к факелам горелок, т.е. являются следствием локальных перегревов стенок. В местах отдулин стенки труб становятся тоньше, и, если в этот момент не остановить печь на ремонт, отдулина приводит к прогару трубы и пожару в печи.
Отдулины могут появляться в стенках печных труб, которые изготовлены из сталей, допускающих до разрушения значительную пластическую деформацию. Это углеродистые сталь 10, сталь 20, а также среднелегированные сталь 15Х5М и сталь 15Х5ВФ.
На рис. 2.78 показана одна из труб печи термического крекинга с отдулинами,вызвавшими прогар трубы. Наснимкевиднымногослойные отложения кокса, большие в той стороне, которая была обра-
щена в сторону факела.
При эксплуатации печей наличие отложений кокса и солей внутри труб можно определить по ростудавленияназагрузочныхнасосах, а также по темным пятнам на трубах, при этом поверхность труб напоминает по виду поверхность с потрескавшейся масляной краской. В данном месте трубы возможно образование отдулины.
162
Высокотемпературная газовая коррозия наружной поверхности печных труб
Наружноеобгораниетрубпроисходитприувеличениитепловогонапряжения и прежде всего при нарушении работы горелок. Когда факел расположен вблизи поверхности печных труб, возможны их местный перегрев и образование слоя окалины с сеткой продольных трещин. Такие дефекты печных труб наблюдались на установках АВТ, термокрекинга, селективной очистки масел и др.
Во избежание обгорания труб обслуживающий персонал должен соблюдать правила эксплуатации горелок, не допускать опасного приближения факела к трубчатому змеевику. Наружное обгорание металла (сталь 15Х5М) наблюдается при паровоздушном способе удаления кокса из печных труб, особенно при недопустимом их перегреве (свыше 680°С). Поэтому необходим строгий контроль температуры нагрева стенок труб. Практика работы нефтеперерабатывающих заводов показала, что при выжигах кокса наблюдались случаи значительного превышения предельно допускаемой температуры стенок труб, что снижало прочность трубчатых змеевиков и их работоспособность. Указанное снижение длительной прочности стали объясняется сфероидизацией карбидной фазы и обеднением молибденом твердого раствора из-за перехода его в карбиды.
При высоких температурах в топке печи может происходить газовая коррозия.Как уже отмечалось, при высоких температурах топочных газов даже незначительные количества компонентов золы топлива (V2О5 и Na2O) являются очень агрессивными агентами.
Существует точка зрения, что металл окисляется пятиоксидом ванадия, при этом оксидная пленка разрушается и обнажается поверхность металла, который в дальнейшем также ускоренно разрушается. Кроме того, на оголенный металл может усиленно воздействовать серный ангидрид, который образуется в результате окисления сернистого газа, чему ванадий способствует как катализатор.
Стойкость сталей, из которых изготовлены печные трубы, к коррозии в газовых средах при высоких температурах зависит от их состава и состава газов, температуры и длительности ее воздействия, скорости нагрева и охлаждения, наличия напряжений. Присутствие в сталях некоторых легирующих элементов, полезных в отношении жаропрочности (V, Мо, W), оказывает отрицательное влияние на окалиностойкость металла, причем общая стойкость его к окислению также снижается.
При наличии в газовой среде печей сероводорода, диоксида и триоксида серы, водяных паров, аэрозолей V2O5 и других компонентов,
163
защитные пленки на жаропрочных сталях разрушаются, что понижает их эксплуатационную стойкость и, следовательно, стойкость печных труб. Действие SO2 на сталь заметно при температурах металла, превышающих 400°С, и быстро возрастает с увеличением температуры.
В случае частых перерывов в работе печей газовая коррозия при высоких температурах также ускоряется, так как, охлаждаясь, металл частично обнажается и становится доступным для агрессивных сред.
Сквозные свищи и прогары в печных трубах
Обычно прогары труб являются следствием возникновения отдулин по указанной выше причине. Несвоевременное их обнаружение
иудаление изношенных труб, как правило, приводит к пожарам в печи. Образование сквозных свищей и последующих прогаров в печных трубах возможно и под влиянием других факторов: дефектов изготовления
инизкого качества металла труб, механических повреждений, износа труб выше допустимого, неправильной их эксплуатации, особенно при паровоздушном способе удаления кокса.
Например, известно, что при недостаточном количестве молибдена хромистые стали приобретают большую хрупкость. Так, в трубах из стали, содержащей 4…6% хрома (без молибдена), после некоторого срока службы при повышенных температурах металл в холодном состоянии терял вязкость и трубы становились настолько хрупкими, что при чистке бойками образовывались большие сквозные продольные трещины.
Перегрев, приводящий к прогарам труб при выжиге кокса, несомненно, также отражается на общем состоянии металла, например, снижает жаропрочность труб. Возможно, поэтому произошел разрыв в печи установки термического крекинга на одном из нефтеперерабатывающих заводов.
Толщинастенокразорвавшейсятрубы(рис.2.79) составляла7мм.Замертрубывместеразрывапоказал,чтовпериодразрываонаудлинилась на22ммпопоперечномусечению.Лабораторныйанализподтвердил,что составметаллатрубыотвечалсоставустали 15Х5М(толькосодержание
|
молибденабылонесколь- |
|
козаниженоисоставляло |
|
0,22% вместо 0,4…0,6%). |
|
Прогарыпечныхтруб |
|
во время эксплуатации |
|
вызывают пожары, что |
|
служит причиной воз- |
Рис. 2.79. Участок разорванной печной трубы |
никновения дефектов на |
164
других участках: сильный перегрев и последующее быстрое охлаждение труб приводит к закалке на воздухе соседних труб из стали 15Х5М и значительному повышению их хрупкости. Поэтому очень важно, как при паровоздушном способе очистки, так и в случаях аварийного разрыва труб, проверять их твердость, что удобно делать прибором Польди.
Низкотемпературнаякоррозиязмеевиковидымовыхтрубпечей продуктами сгорания топлива
При сжигании сернистого топлива в топочных газах появляется значительное количество серного ангидрида, сероводорода, диоксида углерода, водяных паров, кислорода и других компонентов, вызывающих интенсивную низкотемпературную коррозию трубчатого змеевика
идымовой трубы. Особенной агрессивностью коррозионного воздействия отличается серный ангидрид. Его образование зависит от используемогодлясжиганиятопливаизбыткавоздуха.Вслучаенеправильной эксплуатации горелок или при нарушении герметичности топки увеличивается поступление воздуха в печь, что приводит к возрастанию коэффициента избытка воздуха до очень высоких значений (1,5…2,0)
иусилению коррозии. Активность влияния серного ангидрида на металлзначительно увеличивается при каталитическом действии пятиоксида ванадия в присутствии водяного пара, подаваемого на распыление топлива и образуемого при его сжигании.
Оксиды и сернистые соединения железа вместе с пылью от огнеупорной кладки и золой осаждаются на наружной поверхности труб конвекционной секции. В период остановки печей конденсат водяных паров растворяет серный ангидрид, и образуется серная кислота, которая разрушает металл.
Большое количество сернистых соединений, растворяясь в конденсате, оседает на внутренней поверхности дымовой трубы, что вызывает интенсивную коррозию, особенно в местах сварки ее обечаек и колец жесткости.
Для замедления коррозии по указанным выше причинам нужно принимать следующие меры: использовать топливо с меньшим содержанием сернистых соединений, добиваться хорошего распыления
иполного сжигания топлива при малых избытках воздуха, применять по возможности для распыления топлива воздух вместо пара; не допускать нарушения герметичности топки и подсоса атмосферного воздуха, систематически очищать наружную поверхность труб и боровов от отложений сернистых соединений, использовать антикоррозионные защитные покрытия для дымовых труб.
165
Для подавления ванадиевой коррозии в качестве присадки к мазуту применяют перолин, представляющий собой смесь жидкого дистиллированного горючего с мельчайшим порошком кремния, который находится в жидкости в дисперсном состоянии.
Разрушение печных труб вследствие воздействия на сталь азота
Впервые разрушения печных труб от действия азота на сталь были обнаружены на установках, где создались условия для диссоциации аммиака на водород и азот. Этот процесс протекает при температурах выше 400°С, а при температурах более 600°С молекулярный азот диссоциирует с образованием активного атомного азота, который диффундирует вглубь стали и вызывает разупрочнение ее структуры. С этим явлением пришлось столкнуться при изучении работы ядерных реакторов, где отвод тепла осуществляется током чистого азота. Особенно активно реагируют с ним нержавеющие стали, содержащие хром, алюминий, титан и другие легирующие элементы.
На рис. 2.80 показан участок центробежнолитой трубы, проработавшей в печи риформинга всего 2600 часов.При аварии в нижней части трубы образовалось большое рваное отверстие, причем значительный кусок трубы был вырван.
В месте разрыва обнаружено много сквозных трещин.
Рис. 2.80. Разорванный участок трубы змеевика печи риформинга
ОГНЕУПОРАЯФУТЕРОВКАИТЕПЛОВАЯИЗОЛЯЦИЯ
Футеровка печей (рис. 2.81) — это конструкция из огнеупорных, кислотоупорных, теплоизоляционных и облицовочных материалов и изделий, ограждающая рабочую камеру, в которой протекают печные процессы, от взаимодействия с окружающей средой.
Футеровка предохраняет металлоконструкции печи, а также обслуживающийееперсоналотвоздействиявысокихтемпературипечнойсреды. Она обеспечивает необходимую газоплотность в рабочей камере печей,т.е.полнуюгерметизациюприработеподвысокимдавлением,либо достаточную газоплотность при давлениях, близких к атмосферному.
166
Рис. 2.81. Футеровка печи
Футеровка – один из основных конструктивных элементов печей, который дает возможность осуществления высокотемпературных термотехнологических и теплотехнических процессов в печной среде при наличии механических нагрузок с сохранением в течение длительного временигеометрическойформырабочейкамеры,механическойистроительной прочности.
Во многих печах футеровку выполняют из фасонных шамотных кирпичей с огнеупорностью:
1730°С — класс А;
1670°С — класс Б;
1580°С — класс В.
Большое разнообразие огнеупорных кирпичей (до80типоразмеров) очень усложняет сборку обмуровки. Поэтому в современных печах все чаще применяют блочные обмуровки из жаростойкого бетона и железобетона.
Для печей с металлическим каркасом применяют блоки массой 500кг и более, монтируемые с использованием кранов, и мелкие блоки массой 50кг, которые укладывают вручную.
В мировой практике строительства трубчатых печей четко наметилась тенденция перехода от тяжелой кирпичной огнеупорной обмуровки к облегченным жароупорным и теплоизоляционным блокам.
167
Конструктивно блок комбинируется из сборных теплоизоляционных плит, защищаемых с огневой стороны слоем жаростойкого бетона. Значительное уменьшение массы обмуровки способствует распространению новых конструкций печей с облегченным каркасом.
Огнеупорная обмуровка должна удовлетворять следующим требованиям:
—обеспечивать длительную работоспособность печей в течение
6…8 лет;
—создавать условия высокой теплоотдачи в радиантных секциях печи с тем, чтобы уменьшить теплопотери в окружающую среду, обеспечивать нормальные санитарно-гигиенические условия работы обслуживающего персонала;
—исключать присосы воздуха в топку, камеру конвекции, газоходы и боров печи;
—обладать достаточной термостойкостью и прочностью, чтобы выдерживать значительные колебания температуры в топке;
—иметь минимальную массу и хорошую ремонтоспособность, обеспечивающую минимальные затраты на ремонт;
—стоимость материалов и их монтаж должны быть экономически оправданы.
ВНИПИтеплопроектом разработаны составы, методы приготовления и укладки различных марок легкого жаростойкого бетона, используемого для футеровки печей облегченных конструкций в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Применение этой футеровки допускается в отсутствие агрессивной среды и истирающих частиц в топочных газах при температуре в топке печи не более 1200°С.
Вследствие невысокой механической прочности легкий жаростойкий бетон используют в качестве самонесущей конструкции, не воспринимающей дополнительных нагрузок. В печах могут быть применены однослойные и многослойные панели. Толщина слоя футеровки одной панели не превышает 250 мм. Размеры и форма панели определяются конструкцией печи, расположением в ней горелок и с учетом способов транспортирования, производства монтажных и ремонтных работ. Для усиления крупные панели имеют металлическое основание. Возможны варианты футеровки печи нанесением легкого жаростойкого бетона на ее металлический кожух.
Предельные размеры железобетонных панелей: без жесткой арматуры 1,0×1,0 м, с каркасом из уголков 1,5×2,0 м, с металлическим основанием не более 2,5…3,0 м.
168
При возведении футеровки для уменьшения величины раскрытия усадочных трещин предусматриваются усадочные швы шириной 3 мм
иглубиной20мм;расстояниемеждушвами600…800мм.Чтобыпредотвратить выпадение раствора из швов панелей предложены различные конструктивные решения: сужение шва в сторону более нагретой поверхности либо устройство пазов в торцевой части панели. Ширина шва между панелями 20…40 мм.
Элементы технологического оборудования, проходящие через футеровку (штуцера, патрубки), крепят к кожуху печи или к металлическому основанию панели.
Длясоединенияотдельныхслоевмногослойныхпанелейприменяют керамические и металлические анкеры, которые крепят к основанию панелей. Анкеры размещают с шагом не более 350…500 мм и приваривают к металлическому основанию электросваркой.
Сборка жаростойкой футеровки печи из панелей должна выполняться так, чтобы все нагрузки, включая нагрузку от массы панелей
итемпературных усилий, воспринимались металлоконструкцией каркаса и кожуха. Для уменьшения величины раскрытия трещин на более нагретой поверхности панелей последние армируют металлическими сетками из проволоки диаметром 3…4 мм, шагом 100×100 мм или 150×150 мм, которые защищают слоем бетона 20…30 мм. Панели с сеткой при монтаже устанавливают на двухслойные консольные пояса из жаростойкого бетона, которые являются несущими элементами футеровки, передающими усилия от веса панелей на кожух агрегата.
Футеровка может быть неподвесной, когда она выполняется в виде стены (для ровных стен ниже 1,5 м и стен вертикальных цилиндрических печей), и подвесной, когда блоки, имеющие выступы, поддерживаются в вертикальном направлении стержнями, а в горизонтальном направлении — балками, прикрепленными к каркасу печи.
СТЕНЫ
Стены, как и вся обмуровка, предназначены для герметизации топки и камер трубчатой печи, а также образования поверхности для размещения экранов радиантных труб и отражения лучистой энергии. Стены должны быть прочными в условиях высоких температур, герметичными и обладающими незначительной теплопроводностью.
В печах старых конструкций стены трехслойные: внутренний слой, подверженный действию огня и раскаленных дымовых газов, выложен из огнеупорного кирпича, средний – из изоляционного кирпича
169
или плит, наружный — из обыкновенного кирпича повышенной прочности. Хотя толщина этих стен значительна (до 0,7 м), особой долговечностью они не отличаются: сравнительно быстро расслаиваются и разрушаются.
Более просты по конструкции и гораздо надежнее в эксплуатации стены,выложенныетолькоизогнеупорногокирпичанарастворе,составленномизогнеупорнойглиныишамотногопорошка.Длягерметизации стены снаружи штукатурят или обшивают металлическими листами.
В зависимости от теплонапряженности топочной камеры огнеупорную кладку выполняют из шамотного кирпича марок А, Б и В, который имеет следующую огнеупорность: кирпич марки А – не ниже 1730°С, марки Б-1670°С, марки В-1580°С.
Исходя из того, что почти все старые печи работают в форсированных режимах, предпочтительно применение кирпича марки А. Кирпич марок Б и В в жестких условиях эксплуатации с течением времени оплавляется, в результате толщина стен уменьшается, а под печи покрывается твердыми наростами сплавившегося шамота. В дальнейшем, при ремонтах, эти наросты удаляют с большими трудностями. Особенно недопустимо оплавление стен при наличии подовых трубных
|
экранов. |
|
|
Стены современных печей имеют |
|
|
блочнуюконструкцию(рис.2.82)исоби- |
|
|
раются из огнеупорного кирпича разно- |
|
|
образной формы. Например, обмуровку |
|
|
двухскатныхпечейвыполняютизблоков |
|
|
более80фасоновиразмеров.Геометриче- |
|
|
ская форма огнеупорных блоков позво- |
|
|
ляет собирать их на балках и стержнях, |
|
|
прикрепленных к каркасу печи. Сопря- |
|
|
женные поверхности соседних блоков |
|
|
снабженывыступамиисоответствующи- |
|
|
миимвпадинами,которыеобразуютзам- |
|
|
ки-лабиринты. Грани блоков, обращен- |
|
|
ныевнутрьпечи,гладкиеиобеспечивают |
|
|
образованиевнутреннейгладкойповерх- |
|
|
ности стены печи. Такая обмуровка про- |
|
Рис. 2.82. Блочная конструкция |
изводитсябезрастворовиимеетбольшие |
|
стен трубчатых печей: |
эксплуатационные преимущества перед |
|
1 — элемент блочной футеровки (блоч- |
||
монолитной футеровкой, опирающейся |
||
ный кирпич); 2 — несущие горизонталь- |
||
ные швеллеры; 3 — кронштейны для |
на самостоятельный фундамент. |
|
блоков |
170