加熱爐爐襯材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展與展望

1主電源結(jié)構(gòu)油加熱爐常用的傳統(tǒng)式結(jié)構(gòu)有三種：磚結(jié)構(gòu)、傳內(nèi)結(jié)構(gòu)和水火陶瓷纖維制備結(jié)構(gòu)。1.1擋墻填充結(jié)構(gòu)磚結(jié)構(gòu)是最早使用的爐襯結(jié)構(gòu),一般由耐火和隔熱雙層甚至多層組成,其結(jié)構(gòu)分為砌磚、掛磚、吊磚和拉磚等四種。20世紀60年代以前建造的方箱爐、斜頂爐和立式爐,立墻都采用承重式砌筑磚結(jié)構(gòu)或掛磚結(jié)構(gòu),爐頂采用吊磚結(jié)構(gòu)。掛磚和吊磚結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大和施工周期長,現(xiàn)已不再采用,但砌磚和拉磚結(jié)構(gòu)仍廣泛采用。砌磚結(jié)構(gòu)特別適用于獨立火墻和圓筒爐輻射室立墻。獨立火墻用來隔開輻射室,一般采用自承重式砌筑結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代雙面輻射的加氫爐、焦化爐和四合一連續(xù)重整爐等大型化的加熱爐上都廣泛采用獨立火墻。圓筒爐輻射室立墻一般采用分段承重式砌筑結(jié)構(gòu)。由于圓筒形砌體能嚙合耐火磚,自身穩(wěn)定性很好,其結(jié)構(gòu)十分簡單,施工方便,使用壽命也長,因此圓筒爐輻射室立墻至今仍大量采用這種結(jié)構(gòu)。另外,所有管式爐的爐底,一般都在襯里之上干砌一層厚65mm的隔熱耐火磚。拉磚結(jié)構(gòu)適用于平面爐墻。牽拉至鋼結(jié)構(gòu)上的磚數(shù)應(yīng)不少于總磚數(shù)的15%。對于大面積的平面高墻,還應(yīng)采用分段承重結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代雙面輻射的焦化爐、重整爐和加氫爐等,受火焰沖刷的墻面一般都采用由爐底承重的拉磚矮墻,通常墻高2～3m。1.2試驗研究與發(fā)現(xiàn)澆注料或可塑料通過噴涂、搗制或涂抹等施工成形的爐襯,通常稱為襯里。澆注料襯里結(jié)構(gòu)自20世紀60年代開始用于國內(nèi)煉油加熱爐。當時由北京石油設(shè)計院牽頭,組織了國家建研院、冶金建研院和相關(guān)施工單位等,參照從革命后的古巴獲得的有關(guān)礬士水泥:陶粒:蛭石=1:2:4澆注料襯里的技術(shù)信息,進行配方和施工的詳細研究,從試驗室到工業(yè)化試驗,最終在煉油加熱爐上推廣使用。這種襯里在國內(nèi)使用過程中,有兩個問題一直未能很好解決:一是蛭石的二次膨脹;二是施工時的水灰比失控。這些問題常常造成襯里開裂甚至脫落。因此自20世紀90年代以來,國內(nèi)已較少使用(但國外至今仍廣泛使用)。國內(nèi)目前使用的澆注料,配方大都是制造廠商和研究單位新開發(fā)的,存在的問題是配方保密、品種繁多、良莠不齊,各家有成功的業(yè)績,也都有失敗的劣績,急需出臺有關(guān)隔熱耐火澆注料的權(quán)威性標準來保證其良好的長期使用性能,統(tǒng)一控制其理化指標。ASTMC401《Standardclassificationofaluminaandalumina-ailicatecastablerefractories》規(guī)定5h燒后永久線收縮不大于1.5%的溫度為澆注料的分類溫度,而API560又規(guī)定了爐襯計算最高熱面溫度應(yīng)比此溫度至少低165C,再加上施工過程規(guī)范化等措施,就能夠保證使用中不致于出現(xiàn)太大的裂縫或剝落現(xiàn)象。陶瓷纖維可塑料(以下簡稱陶纖可塑料)是國內(nèi)近幾年來新開發(fā)的爐襯材料,本文將其歸類為襯里的一種,它兼有澆注料透氣度低和陶瓷纖維熱導(dǎo)率小的優(yōu)點。最早用于蘇丹煉油廠的加熱爐上,那里天氣干熱,陶纖可塑料使用效果較好。用到國內(nèi)時,遇到潮濕低溫天氣,便出現(xiàn)不收汗、常溫強度低等問題。后經(jīng)改進成促凝型,使用效果尚可。目前已在雙面輻射的焦化爐、加氫爐和制氫爐上使用。由于使用時間不長,是否潛在重大缺陷目前還難以作出定論。例如,對于直接影響爐壁鋼板和錨固件根部露點腐蝕的透氣度指標,就還需與澆注料做試驗對比,才能得出比較客觀的結(jié)論。又例如,目前SH/T3128—2002《一般煉油裝置火焰加熱爐陶瓷纖維襯里》標準中規(guī)定的陶纖可塑料加熱永久線變化的值可能偏大,容易產(chǎn)生較大的裂縫,有待進一步改善,等等。表1為燒注料、陶纖可塑料和陶纖模塊透氣度對比試驗的一個例子,試驗是由冶金工業(yè)工程質(zhì)量監(jiān)督總站檢測中心按GB/T3000—1999《耐火制品透氣度試驗方法》檢測的。從表1的數(shù)據(jù)看,陶纖可塑料的透氣度與體積密度700kg/m3的澆注料相當,而陶纖模塊透氣度是陶纖可塑料的5～6倍。也就是說,含氧化硫的煙氣穿過爐襯造成爐壁板和錨固件露點腐蝕的可能性,陶纖可塑料和澆注料差不多,而陶纖模塊是它們的5～6倍。襯里結(jié)構(gòu)特別適用于形狀復(fù)雜的部位。現(xiàn)代各種管式爐特別是具有大面積平面墻的立式爐和箱式爐都廣泛采用襯里結(jié)構(gòu)。其中,澆注料襯里可用于輻射室、對流室、煙道和煙囪;陶纖可塑料襯里目前僅用于輻射室爐頂和側(cè)墻。1.3建議使用陶瓷纖維爐襯陶瓷纖維結(jié)構(gòu)分為平鋪氈、毯、模塊(折疊塊)和噴涂纖維等。20世紀70年代末,國內(nèi)開始研制和開發(fā),80年代開始廣泛使用平鋪氈、毯和模塊結(jié)構(gòu)。90年代中期從國外引進纖維噴涂機具,由此出現(xiàn)了噴涂陶瓷纖維爐襯結(jié)構(gòu)。由于噴涂陶瓷纖維具有無接縫、整體性好、施工方便等優(yōu)點,很快得到推廣。但是,陶瓷纖維對人體健康有較大危害,按歐洲標準屬二類致癌物質(zhì),而噴涂纖維的揮飛物對人體危害最大,因此新編制的SH/T3128—2002標準中已不列入噴涂陶瓷纖維結(jié)構(gòu),也就是說,不再推薦使用噴涂陶瓷纖維。陶瓷纖維結(jié)構(gòu)適用于輻射室側(cè)墻、爐頂和不設(shè)置吹灰器的對流室,其他部位并不宜采用。國外一些大公司還規(guī)定燒油的加熱爐不準使用陶瓷纖維爐襯,理由是即使采取阻隔措施避免了爐壁板和錨固件根部露點腐蝕,但燒油加熱爐爐管會結(jié)鹽結(jié)垢,停工時需要水洗或化學(xué)清洗爐管外表面,這會損壞陶瓷纖維爐襯。由于陶瓷纖維爐襯具有熱容量小、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點,在節(jié)能呼聲很高的20世紀80年代、90年代得以迅速推廣。但是,對陶瓷纖維結(jié)構(gòu)存在的問題,特別是其透氣性強,易產(chǎn)生爐壁板和錨固件根部露點腐蝕,一直認識不足。近年來燃料中的硫含量增加,而燃料脫硫又未得到足夠的重視,陶瓷纖維爐墻大面積坍塌的事故終于不可避免地發(fā)生了。針對這些問題,新發(fā)布的SH/T3036—2003規(guī)范,對陶瓷纖維爐襯的使用規(guī)定了嚴格的限制條件,這將在本文第3.2條中詳細敘述。2無風、溫濕度為統(tǒng)一設(shè)計基準,老規(guī)范SHJ33—1991《石油化工管式爐設(shè)計規(guī)范》規(guī)定為“在外界氣溫為25℃和無風條件下,管式爐本體和空氣預(yù)熱系統(tǒng)的外表面設(shè)計溫度不得大于80℃”。新規(guī)范SH/T3036—2003規(guī)定:“在無風、環(huán)境溫度為27℃條件下,輻射段、對流段和熱煙風道的外壁溫度應(yīng)不超過80℃。輻射段底部外表面溫度應(yīng)不超過90℃”。新老規(guī)范相差不大,現(xiàn)在應(yīng)執(zhí)行新規(guī)范。3送料材料的選擇3.1粘土質(zhì)及保水性為便于后面的敘述,本文先定義一些術(shù)語。新的石化行業(yè)標準SH/T3036—2003修改采用國際標準ISO13705《石油和天然氣工業(yè)一般煉油裝置用火焰加熱爐》,ISO13705標準中引用了不少美國的耐火材料標準,因此在敘述國產(chǎn)耐火隔熱材料時,也順便介紹一下ASTM相關(guān)標準的內(nèi)容。(1)分類溫度或等級溫度系指耐火隔熱材料根據(jù)理化性能,用以分類或分等級的溫度。有的標準將此溫度稱為工作溫度、最高工作溫度或最高使用溫度。煉油加熱爐常用耐火隔熱材料的分類溫度或等級溫度如下:1)耐火磚真氣孔率低于45%的耐火磚稱為致密耐火磚,通常稱為重質(zhì)耐火磚,簡稱耐火磚。煉油加熱爐常用的是粘土質(zhì)和高鋁質(zhì)耐火磚。粘土質(zhì)耐火磚由于其化學(xué)成分界限并不十分明確,一般均按物理指標分類或分級。美國標準ASTMC27《Standardclassificationoffireclayandhigh-aluminarefractorybrick》將粘土質(zhì)耐火磚按耐火度分級,參照這種方法YB/T5106—1993《粘土質(zhì)耐火磚》規(guī)定的六種牌號粘土質(zhì)耐火磚的等級溫度列于表2。高鋁質(zhì)耐火磚化學(xué)成分界限十分明確,因此都按Al203含量分類,同時也列出耐火度要求。GB/T2988《高鋁磚》規(guī)定的四種高鋁磚的等級溫度列于表3。2)隔熱耐火磚真氣孔率不低于45%的耐火磚稱為隔熱耐火磚,通常稱輕質(zhì)耐火磚。ASTMC155《Staandardclassificationofinsulatingfirebrick》和GB/T16763—1997(idtISO2245:1990)《定形隔熱耐火制品的分類》對隔熱耐火磚的分類基本相同,都是按重燒線變化不大于2%的溫度分類,并規(guī)定了體積密度。按照這種規(guī)定,GB/T3994《粘土質(zhì)隔熱耐火磚》和GB/T3995《高鋁質(zhì)隔熱耐火磚》規(guī)定的九種牌號粘土質(zhì)隔熱耐火磚和七種牌號高鋁質(zhì)隔熱耐火磚的分類溫度列于表4和表5。3)隔熱耐火澆注料烘干后的真氣孔率不低于45%的澆注料稱為隔熱耐火澆注料,國內(nèi)目前還沒有權(quán)威性的標準。美國ASTMC401規(guī)定鋁質(zhì)和鋁-硅質(zhì)隔熱耐火澆注料按5h燒后永久線收縮不大于1.5%的溫度和干密度分類,見表6。表7所列的期望指標是參照ASTMC401和SH/T3115—2000《石油化工管式爐輕質(zhì)澆注料襯里工程技術(shù)條件》以及一些國外廠商的指標而擬訂的。希望國內(nèi)的廠商能盡快達到這些指標,并生產(chǎn)出質(zhì)量穩(wěn)定的隔熱耐火澆注料。表8也列出了陶纖可塑料的期望指標,希望早日能變成現(xiàn)實。4)陶瓷纖維制品耐火陶瓷纖維制品(氈、毯、板、成形塊等)的分類,國內(nèi)GB/T16400—2003《絕熱用硅酸鋁棉及其制品》標準與美國ASTMC892《Standardspecificationforhigh-temperaturefiberblanketthermalinsulation》標準基本一致,都按加熱永久線變化小于等于5%的溫度分為5類,見表9。(2)熱面計算溫度系指爐襯傳熱計算時所得出的該層耐火隔熱材料熱面的溫度。(3)溫度裕量為保證耐火隔熱材料不會早期損壞,確保爐墻具有足夠長的使用壽命,并考慮計算偏差和操作波動等因素,在熱面計算溫度的基礎(chǔ)上應(yīng)增加的裕量,稱作溫度裕量。SH/T3036—2003規(guī)定:陶瓷纖維的溫度裕量為28℃,其他耐火隔熱材料的溫度裕量為165℃。(4)設(shè)計溫度設(shè)計溫度等于熱面計算溫度與溫度裕量之和。(5)向火面或熱面層系指直接暴露于火焰中或與煙氣直接接觸的爐襯表面層。3.2燃料和帶硫量的保護爐襯選用耐火隔熱材料的基本原則是應(yīng)滿足其所在部位的設(shè)計溫度以及耐磨、耐蝕和耐沖刷等特殊要求。SH/T3036—2003的具體規(guī)定可歸納如下:(1)耐火隔熱材料的分類溫度或等級溫度應(yīng)高于其設(shè)計溫度。(2)在爐底表層應(yīng)使用耐壓強度大于3.45MPa的襯里或65mm厚的耐火磚,以免人進入后被踩壞。(3)當燃料中的重金屬(包括鈉)含量超過250μg/g時,向火面層應(yīng)選用含鐵量低(Fe2O3≤1%)的襯里材料或重質(zhì)澆注料。(4)設(shè)置有吹灰器的部位不得使用陶瓷纖維結(jié)構(gòu)。煙氣流速超過12m/s時不得使用陶瓷纖維毯做熱面層;煙氣流速大于12m/s小于24m/s時,熱面層可使用陶瓷纖維濕毯、陶瓷纖維板或陶瓷纖維模塊;煙氣流速大于24m/s時不應(yīng)采用陶瓷纖維。(5)燃料中含硫量大于10μg/g時,陶瓷纖維結(jié)構(gòu)和采用硅酸鈣或礦棉作隔熱塊的復(fù)合襯里結(jié)構(gòu),爐壁鋼板內(nèi)表面和錨固件根部應(yīng)涂防止低溫露點腐蝕的涂料。涂料的工作溫度應(yīng)不低于180℃。燃料中含硫量超過500μg/g時,應(yīng)設(shè)置水汽保護隔層,隔層的內(nèi)表面溫度應(yīng)比計算的露點溫度高55℃,水汽保護隔層的材料等級應(yīng)不低于304不銹鋼箔。經(jīng)買方同意,也可采用其他隔離措施。(6)燃料中重金屬含量超過100μg/g時,不宜采用陶瓷纖維結(jié)構(gòu)。3.3最低等級溫度除應(yīng)符合上述規(guī)定外,SH/T3036—2003還規(guī)定了各部位用以選擇耐火隔熱材料的最低等級溫度值:(1)輻射室和輻射室至對流室過渡段爐襯,向火面材料的最低等級溫度應(yīng)為980℃。(2)單面受火焰沖刷的爐襯,向火面材料的最低等級溫度應(yīng)為1430℃。(3)無吸熱面遮蔽的暴露爐襯,向火面耐火磚的最低等級溫度應(yīng)為1260℃。(4)有吸熱面遮蔽的爐襯,向火面耐火磚的最低等級溫度應(yīng)為1100℃。(5)兩側(cè)與火焰接觸的火墻用耐火磚,最低等級溫度應(yīng)為1540℃。(6)燃燒器磚,最低等級溫度應(yīng)為1650℃。4施工和運營管理4.1現(xiàn)代油田裝置的周期問題耐火隔熱材料產(chǎn)品的應(yīng)用幾乎遍及所有行業(yè)。冶金、機械制造、陶瓷和玻璃行業(yè)的各種窯爐工作條件都比煉油加熱爐苛刻,但是煉油加熱爐爐襯要求的使用壽命卻要比它們長得多。這一點是煉油加熱爐有別于其他工業(yè)窯爐的最大特點,但也是最棘手的難點。爐襯的使用壽命究竟要多長:10年、20年還是30年?誰也說不準?？梢赃@樣推論:現(xiàn)代煉油裝置一個操作周期一般要求4～6年,如果按3、4個周期算,應(yīng)該是10到20年;如果按4、5個周期算,應(yīng)該是20到30年。這是一個比較模糊的數(shù)字,目前還無法作出肯定的回答,其原因是耐火隔熱材料行業(yè)雖然有悠久的歷史,但至今仍不能提出計算其使用壽命的參數(shù)和方法。這也許就是SH/T3036—2003規(guī)定了爐管的設(shè)計壽命,卻不能規(guī)定爐襯使用壽命的原因。也正因為如此,要保證爐襯長期使用而不損壞,必須從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料檢驗、施工、養(yǎng)護、烘干和運行管理等全過程嚴格控制。SH/T3036—2003對選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計作出了比較詳細的規(guī)定,在保證爐襯長壽命方面邁出了關(guān)鍵的一步。但僅此還遠遠不夠,因為爐襯的材料檢驗、施工和運行管理等環(huán)節(jié)在保證爐襯長壽命方面也十分重要。這些環(huán)節(jié)中的任何一環(huán)出問題,都可能前功盡棄,造成爐襯早期損壞,甚至大面積坍塌,釀成事故。4.2施工前檢驗?zāi)突鸶魺岵牧系臋z驗一般有型式檢驗、產(chǎn)品出廠前檢驗、施工前檢驗和烘爐后檢驗等。每一個制造廠商新生產(chǎn)的每一種產(chǎn)品都必須進行型式檢驗。型式檢驗的內(nèi)容應(yīng)包括標準規(guī)范規(guī)定的全部理化性能指標。型式檢驗應(yīng)由省級以上資質(zhì)的檢測部門進行,并出據(jù)正式檢測報告。產(chǎn)品出廠前檢驗一般由生產(chǎn)廠商的質(zhì)檢部門進行,檢測內(nèi)容一般包括體積密度、常溫耐壓強度和重燒線變化(或燒后永久線變化)等三項。施工前檢驗內(nèi)容與出廠前檢驗一樣(用戶另有要求也可增加項目,但這將使制造廠商的風險大大增加),檢驗應(yīng)由用戶或其委托代表隨機抽樣,送省級以上資質(zhì)檢測部門檢測,并出據(jù)正式報告,證明符合標準規(guī)范的規(guī)定時,方可進行施工。烘爐后檢驗除外觀和尺寸等常規(guī)檢查外,主要是檢查裂紋、疏松和剝落等缺陷是否超標,以確定是否修理或返工。應(yīng)該指出的是,檢驗過程中最忌諱的是弄虛作假,檢驗的每一環(huán)節(jié),從取樣、送樣,到選擇第三