Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

161

Кроме 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 ком

понентов и образованию агрессивной среды.

Хрупкое разрушение печных труб

В результате воздействия агрессивных сред и длительного пребыва

ния печных труб при высоких температурах и давлении микроструктура

стали претерпевает значительные изменения, что часто сопровождается

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 про

цессом, т. е. сталь не может получить первоначальные ударную вязкость

и пластичность при термообработке, поскольку в материале образуются

микротрещины. Естественно, что изменения свойств стали, обусловли

вающие ее тепловую хрупкость, крайне нежелательны и опасны, так как

могут привести к авариям во время эксплуатации печей.

Хрупкое разрушение печных труб возможно на установках ката

литического риформинга. Перерабатываемое углеводородное сырье

и водород при

530…600 °С и избыточном давлении 2…5 МПа, воздей-

ствуя на печные трубы, вызывают поверхностное науглероживание.

Глубина науглероживания труб из стали

15Х5М в этих условиях до-

стигает 3,5…5,0 мм за 7…8 лет эксплуатации. Кроме того, при длитель-

ной работе в установленном режиме в сталях происходят структурные

изменения. Эти изменения, приводящие к снижению механических

характеристик прочности и пластичности, получили название «водо

родной хрупкости» или водородной коррозии.

Основными технологическими мерами, предупреждающими на-

ступление «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 труб

чатых змеевиках откладываются кокс и различные соли. Отложение

162

их в печах прямой переработки нефти становится особенно заметным

при содержании в ней солей более 0,4 мг/см

Кокс и соли в печах каталитического крекинга и термокрекинга от

кладываются очень быстро при внезапных нарушениях нормальных

рабочих условий технологического процесса, в частности при резких

колебаниях температурного режима и изменениях качества перераба

тываемого 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.

Для поддержания технологического режима обслуживающий персо

нал обычно усиливает шуровку топки. При большом тепловом напря

жении топочного пространства и плохой передаче тепла сырью наблю

дается 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 из

готовлены из сталей, допускающих до разрушения значительную плас-

тическую деформацию. Это углеродистые сталь

10, сталь 20, а также

среднелегированные сталь 15Х5М и сталь 15Х5ВФ.

На рис. 2.7

8 показана одна из труб печи термического крекинга

с отдулинами, вызвавшими прогар трубы. На снимке видны многослой

ные отложения кокса, большие

в той стороне, которая была обра

щена в сторону факела.

При эксплуатации печей на

личие отложений кокса и солей

внутри труб можно определить по

росту давления на загрузочных на

сосах, а также по темным пятнам

на трубах, при этом поверхность

труб напоминает по виду поверх

ность с потрескавшейся масляной

краской. В данном месте трубы

возможно образование отдулины.

Рис. 2.78. Отдулины на печной трубе

163

Высокотемпературная газовая коррозия

наружной поверхности печных труб

Наружное обгорание труб происходит при увеличении теплового на

пряжения 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, термо

крекинга, селективной очистки масел и др.

Во избежание обгорания труб обслуживающий персонал должен

соблюдать правила эксплуатации горелок, не допускать опасного при

ближения факела к трубчатому змеевику. Наружное обгорание метал

ла (сталь

15Х5М) наблюдается при паровоздушном способе удаления

кокса из печных труб, особенно при недопустимом их перегреве (свы

ше 680

°С). Поэтому необходим строгий контроль температуры нагрева

стенок труб. Практика работы нефтеперерабатывающих заводов пока

зала, что при выжигах кокса наблюдались случаи значительного превы

шения 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 га-

зов даже незначительные количества компонентов золы топлива (V

и Na

O) являются очень агрессивными агентами.

Существует точка зрения, что металл окисляется пятиоксидом вана

дия, при этом оксидная пленка разрушается и обнажается поверхность

металла, который в дальнейшем также ускоренно разрушается. Кроме

того, на оголенный металл может усиленно воздействовать серный ан

гидрид, который образуется в результате окисления сернистого газа,

чему ванадий способствует как катализатор.

Стойкость сталей, из которых изготовлены печные трубы, к корро

зии 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 не

которых легирующих элементов, полезных в отношении жаропрочнос-

ти (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 три

оксида серы, водяных паров, аэрозолей V

и других компонентов,

164

защитные пленки на жаропрочных сталях разрушаются, что понижает

их эксплуатационную стойкость и, следовательно, стойкость печных

труб. Действие SO

на сталь заметно при температурах металла, превы-

шающих 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 отду

лин по указанной выше причине. Несвоевременное их обнаружение

и удаление изношенных труб, как правило, приводит к пожарам в печи.

Образование сквозных свищей и последующих прогаров в печных тру

бах возможно и под влиянием других факторов: дефектов изготовления

и низкого качества металла труб, механических повреждений, износа

труб выше допустимого, неправильной их эксплуатации, особенно при

паровоздушном способе удаления кокса.

Например, известно, что при недостаточном количестве молибде

на 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 со

стоянии терял вязкость и трубы становились настолько хрупкими, что

при чистке бойками образовывались большие сквозные продольные

трещины.

Перегрев, приводящий к прогарам труб при выжиге кокса, несо

мненно, также отражается на общем состоянии металла, например,

снижает жаропрочность труб. Возможно

, поэтому произошел разрыв

в печи установки термического крекинга на одном из нефтеперераба

тывающих заводов.

Толщина стенок разорвавшейся трубы (рис. 2.79) составляла 7 мм. За

мер трубы в месте разрыва показал, что в период разрыва она удлинилась

на 22 мм по поперечному сечению. Лабораторный анализ подтвердил, что

состав металла трубы отвечал составу стали 15

Х5М (только содержание

молибдена было несколь

ко занижено и составляло

0,22 % вместо 0,4

…0,6 %).

Прогары печных труб

во время эксплуатации

вызывают пожары, что

служит причиной воз

никновения дефектов на

Рис. 2.79. Участок разорванной печной трубы

165

других участках: сильный перегрев и последующее быстрое охлажде-

ние труб приводит к закалке на воздухе соседних труб из стали 15

Х5М

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.

Низкотемпературная коррозия змеевиков и дымовых труб печей

продуктами сгорания топлива

При сжигании сернистого топлива в топочных газах появляется

значительное количество серного ангидрида, сероводорода, диоксида

углерода, водяных паров, кислорода и других компонентов, вызываю-

щих интенсивную низкотемпературную коррозию трубчатого змеевика

и дымовой трубы. Особенной агрессивностью коррозионного воздей

ствия отличается серный ангидрид. Его образование зависит от исполь

зуемого для сжигания топлива избытка воздуха. В случае неправильной

эксплуатации горелок или при нарушении герметичности топки уве

личивается поступление воздуха в печь, что приводит к возрастанию

коэффициента избытка воздуха до очень высоких значений

(1,5…2,0)

и усилению коррозии. Активность влияния серного ангидрида на ме

талл значительно увеличивается при каталитическом действии пятиок

сида ванадия в присутствии водяного пара, подаваемого на распыление

топлива и образуемого при его сжигании.

Оксиды и сернистые соединения железа вместе с пылью от огне

упорной кладки и золой осаждаются на наружной поверхности труб

конвекционной секции. В период остановки печей конденсат водяных

паров растворяет серный ангидрид, и образуется серная кислота, кото

рая разрушает металл.

Большое количество сернистых соединений, растворяясь в конден

сате, 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 со

держанием сернистых соединений, добиваться хорошего распыления

и полного сжигания топлива при малых избытках воздуха, применять

по возможности для распыления топлива воздух вместо пара; не до

пускать нарушения герметичности топки и подсоса атмосферного воз

духа, систематически очищать наружную поверхность труб и боровов

от отложений сернистых соединений, использовать антикоррозионные

защитные покрытия для дымовых труб.

166

Для подавления ванадиевой коррозии в качестве присадки к мазуту

применяют перолин, представляющий собой смесь жидкого дистилли

рованного горючего с мельчайшим порошком кремния, который на

ходится 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 дис-

социирует с образованием активного атомного азота, который диф

фундирует вглубь стали и вызывает разупрочнение ее структуры.

С этим явлением пришлось столкнуться при изучении работы ядерных

реакторов, где отвод тепла осуществляется током чистого азота. Осо

бенно активно реагируют с ним нержавеющие стали, содержащие хром,

алюминий, титан и другие легирующие элементы.

На рис. 2.80

показан участок центробежнолитой трубы, проработав-

шей 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.

ОГНЕУПОРАЯ ФУТЕРОВКА И ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

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 обслу

живающий ее персонал от воздействия высоких температур и печной сре

ды. Она обеспечивает необходимую газоплотность в рабочей камере пе

чей, т. е. полную герметизацию при работе под высоким давлением, либо

достаточную газоплотность при давлениях, близких к атмосферному.

Рис. 2.80. Разорванный участок трубы змеевика печи риформинга

167

Футеровка – один из основных конструктивных элементов печей,

который дает возможность осуществления высокотемпературных тер

мотехнологических и теплотехнических процессов в печной среде при

наличии механических нагрузок с сохранением в течение длительного

времени геометрической формы рабочей камеры, механической и строи-

тельной 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 (до 80 типоразмеров)

очень усложняет сборку обмуровки. Поэтому в современных печах все

чаще применяют блочные обмуровки из жаростойкого бетона и желе

зобетона.

Для печей с металлическим каркасом применяют блоки массой

500 кг и более, монтируемые с использованием кранов, и мелкие блоки

массой 50 кг, которые укладывают вручную.

В мировой практике строительства трубчатых печей четко намети

лась тенденция перехода от тяжелой кирпичной огнеупорной обмуров

ки к облегченным жароупорным и теплоизоляционным блокам.

Рис. 2.81. Футеровка печи

168

Конструктивно блок комбинируется из сборных теплоизоляцион-

ных плит, защищаемых с огневой стороны слоем жаростойкого бетона.

Значительное уменьшение массы обмуровки способствует распростра

нению новых конструкций печей с облегченным каркасом.

Огнеупорная обмуровка должна удовлетворять следующим требо

ваниям:

— 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, обеспе

чивать нормальные санитарно-гигиенические условия работы об

служивающего персонала;

— исключать присосы воздуха в топку, камеру конвекции, газоходы

и боров печи;

— обладать достаточной термостойкостью и прочностью, чтобы вы

держивать значительные колебания температуры в топке;

— иметь минимальную массу и хорошую ремонтоспособность, обеспе

чивающую минимальные затраты на ремонт;

— стоимость материалов и их монтаж должны быть экономически

оправданы.

ВНИПИтеплопроектом разработаны составы, методы приготов

ления и укладки различных марок легкого жаростойкого бетона, ис

пользуемого для футеровки печей облегченных конструкций в неф-

теперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Приме

нение 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 жаростой

кий бетон используют в качестве самонесущей конструкции, не воспри

нимающей 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 арма

туры 1,0×1,0 м, с каркасом из уголков 1,5×2,0 м, с металлическим осно-

ванием не более 2,5…3,0 м.

169

При возведении футеровки для уменьшения величины раскрытия

усадочных трещин предусматриваются усадочные швы шириной 3 мм

и глубиной 20 мм; расстояние между швами 600

…800 мм. Чтобы предот-

вратить выпадение раствора из швов панелей предложены различные

конструктивные решения: сужение шва в сторону более нагретой по

верхности либо устройство пазов в торцевой части панели. Ширина

шва между панелями 20…40 мм.

Элементы технологического оборудования, проходящие через фу

теровку (штуцера, патрубки), крепят к кожуху печи или к металличес-

кому основанию панели.

Для соединения отдельных слоев многослойных панелей применяют

керамические и металлические анкеры, которые крепят к основанию

панелей. Анкеры размещают с шагом не более

350…500 мм и привари-

вают к металлическому основанию электросваркой.

Сборка жаростойкой футеровки печи из панелей должна выпол

няться так, чтобы все нагрузки, включая нагрузку от массы панелей

и температурных усилий, воспринимались металлоконструкцией

каркаса и кожуха. Для уменьшения величины раскрытия трещин на

более нагретой поверхности панелей последние армируют металличес-

кими сетками из проволоки диаметром

3…4 мм, шагом 100×100 мм или

150×150 мм, которые защищают слоем бетона 20…30 мм. Панели с сет-

кой при монтаже устанавливают на двухслойные консольные пояса из

жаростойкого бетона, которые являются несущими элементами футе

ровки, 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 цилиндричес-

ких печей), и подвесной, когда блоки, имеющие выступы, поддержи

ваются 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 разме

щения экранов радиантных труб и отражения лучистой энергии. Стены

должны быть прочными в условиях высоких температур, герметичны

ми и обладающими незначительной теплопроводностью.

В печах старых конструкций стены трехслойные: внутренний слой,

подверженный действию огня и раскаленных дымовых газов, выло

жен из огнеупорного кирпича, средний – из изоляционного кирпича

170

или плит, наружный — из обыкновенного кирпича повышенной проч-

ности. Хотя толщина этих стен значительна (до

0,7 м), особой долго-

вечностью они не отличаются: сравнительно быстро расслаиваются

и разрушаются.

Более просты по конструкции и гораздо надежнее в эксплуатации

стены, выложенные только из огнеупорного кирпича на растворе, состав

ленном из огнеупорной глины и шамотного порошка. Для герметизации

стены снаружи штукатурят или обшивают металлическими листами.

В зависимости от теплонапряженности топочной камеры огнеупор

ную 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 форсирован

ных 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 по

крывается твердыми наростами сплавившегося шамота. В дальнейшем,

при ремонтах, эти наросты удаляют с большими трудностями. Осо

бенно недопустимо оплавление стен при наличии подовых трубных

экранов.

Стены современных печей имеют

блочную конструкцию

(рис. 2.82) и соби-

раются из огнеупорного кирпича разно

образной формы. Например, обмуровку

двухскатных печей выполняют из блоков

более 80 фасонов и размеров. Геометриче

ская форма огнеупорных блоков позво

ляет собирать их на балках и стержнях

прикрепленных к каркасу печи. Сопря

женные поверхности соседних блоков

снабжены выступами и соответствующи

ми им впадинами, которые образуют зам

ки

-лабиринты. Грани блоков, обращен-

ные внутрь печи, гладкие и обеспечивают

образование внутренней гладкой поверх

ности стены печи. Такая обмуровка про

изводится без растворов и имеет большие

эксплуатационные преимущества перед

монолитной футеровкой, опирающейся

на самостоятельный фундамент

Рис. 2.82. Блочная конструкция

стен трубчатых печей:

1 — элемент блочной футеровки (блоч-

ный кирпич);

2 — несущие горизонталь-

ные швеллеры;

3 — кронштейны для

блоков