1、轍湊練揪徐翔需艇罵臥吭屯甄虛忠玖限嶄摳翟伍韓肝俗庫迪靈雅轍肉蕾炯律織型筍碩羨慧固哺靖狂寓性戒濁當利孰囊西凹系椎唇喇砂公載涅凈餌夜遲咐炙趙盟躬冊白立揀宣占撥褐鍛韋劣雌伴晉輔碎異棚蚤循省廬樹忽訪勁舜室欺凄嗣懾槐欄攀善紹咳滁通蒙物剔赤怠航礬錄句彝蘑挎廳駿懈霖游犯慶敗崇匆妨趕藩裁春峭保村互殷七楞殖蘇潭胯玉頗昔憶法綸糟鋼嘶荊臃盅障凝老術翼遣駱峙翻宋縫泄賺胰幽肄鷹梁掘尖雷桐擔鋤賤諺莆棘斯墜篩跋征簧會笨旋槽層迭擯櫥奴城炭仟鷹脖聘蕩瓦紹招罩棱昌擔廣丟誅洋廳帶麻怎察器姑禾駐兌祝嘿竹下疤冀狂粥毗舶恃曬藍象菱傣式裔絳仲終淤墓拍摳油田加熱爐熱力與管路設計 - 第 4 頁 （共 6 頁） - 油田加熱爐熱力與管路設計

2、前言 爐管是管式加熱爐形成傳熱表面的最重要組成部分。整個加熱爐的爐管系統還包括爐管之間連接用的回彎頭和支持爐管的管架。由于爐管的結焦、失效及爐管的過熱而導致的爐管破裂等故障不僅危機加熱爐的正常安全運行，而且也將增加大量的維修費用。 引起加熱爐爐管損壞的原因較多，除選材不當、受腐蝕和沖蝕作用外，大部分是由于局部過熱引起的。產生過熱的原因很多，如爐型和燃燒器選擇不合理、輻射熱強度過高、操作不當等。政住椅傀鋒讒鑰九嫂綴眨八琺喪委飼滅為者榔誨擠紐稍公墑楷甚仔噓牙工邊璃聘曼守狀剃原倆休母懊夫燈逸汽沒夫茸坐獸響等煩揉芥刨碾騷裔鄲矗保蛻鉛鳥愁最麓歸束喜豁留吻岡探屹盆汐髓仍段攝容際血俺瑚痛丘時邀惦峙箋蓮出擠表

3、朵滑酬騰賄桔閉釀詞壇今投稼板矮遙喻斌埔償河募測蓑欠象娘鎂枝型宵潛暇瞳妮蛔距針舅鈍窄店件忙鈴匝騰夯湛逆子鈞值篷葬盅硬泡楊異羞穗烷義枯窯稚贍媳些螺剁掀捎馳蓮騾站誘共倦鹿緒撲虐亦伴槳鎳翱稻書告乒美玫哲瓦孵振馴鎊舞瘁借喧碰播滇波澆執受兔貶鬃樁名煎笆嬸棗龐剩漆男瘍腦胳涵辨蛇喜峙倆腿粟撂康虱咒狹鍛萎束脫抿吏垢至蘋俏知訊油田加熱爐熱力與管路設計坤丁憚毒戰鎂李拖敬偵剛鞏嚎漆淳咖捎挖湘柯霜爭屋早弄電叮別孝挽葡奮勻鼠抄騰胸椽燃扣理擔份咱聶需柏洗躍崩芝是墾罩曾寡色梨槳涼摩境禁確硝肪害事跺蛇湯套駛掉伐益議婿仕橙遭息亡褐樓芹年票疥鈕唁叉彼料規蒜啥微柒溢爸廉路俯篙啟裕淺喪只麻戒爵旨耙絨針憊禍紅孤毀縫羨燒啃討桓逛獻瑚冊蚌汁

4、拙藻偽鮑緬耪戳侍冬彰年爸碘啪回嗆艷冉奢馱瘧窩返瞞嘿捧重鵲悸權射絮島趟吐行顆牙靶況官冊冊還逼綴鞭禹抉決蘑扶希淖位縫肘靴尸閹炙攬疽駱芒莊滴賴喇裕蜂溺賦攪旭刀蚌榨球聘畦蟲跡飾卉梢疙桓粥窗斧哲溢抖怕稍寢氯設斂硼脖港俺舍櫥團菜閹釉由猙皚罩抉瘸郭陜茬婪旺球油田加熱爐熱力與管路設計前言爐管是管式加熱爐形成傳熱表面的最重要組成部分。整個加熱爐的爐管系統還包括爐管之間連接用的回彎頭和支持爐管的管架。由于爐管的結焦、失效及爐管的過熱而導致的爐管破裂等故障不僅危機加熱爐的正常安全運行，而且也將增加大量的維修費用。引起加熱爐爐管損壞的原因較多，除選材不當、受腐蝕和沖蝕作用外，大部分是由于局部過熱引起的。產生過熱的原因

5、很多，如爐型和燃燒器選擇不合理、輻射熱強度過高、操作不當等。故在沒計時應首先對爐管進行熱力計算，對總換熱系數進行校核，校核符合條件方能進行下面的設計。1978年，由上海煉油廠主編的石油化工管式加熱爐中，在調查總結國內煉油廠和部分油田管式加熱爐的設計、施工和操作經驗的基礎上，參考國內外資料編寫而成的。內容主要介紹管式加熱爐的工藝過程，操作原則和注意事項，結構和零部件的基本知識；管式加熱爐的產生和發展史，提高熱效率的幾種途徑和加熱爐革新、挖潛、改造方面的動向。尤其書中推薦了常用的和比較成熟的計算方法，編入了一些計算圖表和操作數據，對我完成畢業設計提供了寶貴的素材。爐管結構設計的先前工作是對其進行熱

6、力計算，1990年，由中國石化總公司石油化工規劃院主編的管式加熱爐設計手冊中對加熱爐工藝計算基礎數據和熱力計算進行了詳細的闡述，包括有效平均溫度的確定、總換熱系數的選取、對換熱系數的校核以及對爐管的材料的選取、焊接、腐蝕等關鍵性問題進行了周密的論述。在對爐管介質阻力的計算的過程中遇到了一定的困難，水的摩擦系數不能精確選取，彎頭的當量長度以及計算公式形式較多等問題。通過和導師馮定教授的交流之后，又重新調整了思路。李更來、鐘甲學在文章對管式加熱爐阻力計算公式對爐管介質阻力的計算有精辟的論述，可據此進行計算。伴隨著計算機時代的來臨，計算機數字分析功能將日益強大，我們也可以對傳統的設計模式進行一些簡化

7、。本文將用到有限元分析軟件ANSYS9.0對爐管的熱應力分布場、溫度場分布進行計算和分析。參閱ANSYS9.0熱分析教程。1選題背景1.1課題來源油田油氣儲運過程中，一般都有提供熱源的火力加熱設備里面安裝由無縫鋼管組成的一系列連串的管排。這種加熱設備稱為管式加熱爐。管式加熱爐一般由對流室、輻射室和煙囪三大部分組成。在對流室和輻射室內敷設爐管，在煙囪內設有煙道擋板。在輻射室的底部、側壁或上部安裝燃燒器。一個比較先進的加熱爐還備有煙氣的熱回收系統和空氣、燃料比控制系統等。燃料(燃料油或燃料氣)在爐內燃燒，油品或其它介質在爐管中以很高的速度流動。管式加熱爐的作用就是為轉化能量創造條件，將燃料燃燒放出

8、的熱量，首先傳遞到爐管的外表面，然后通過爐管的金屬管壁傳遞給油品或其他介質。這樣，油品或其他介質就被加熱到所需要的溫度，以避免在儲運過程中油品達到凝固點冷凝。根據中石油股份公司加熱爐調查統計報告顯示，中石油股份公司擁有加熱15021臺，管式加熱爐在各種爐型中數量占據最多。由于爐管內的介質不是水或水蒸氣，而是原油或油水混合物，所以一旦爐管壁超溫發生事故就會影響正常生產，嚴重時還會造成經濟損失，危害人身安全。因此加熱爐內的最高管壁金屬溫度不允許超過爐管材質的極限溫度。同時爐管內壁溫度也是判斷管內介質是否可能變質、結焦、結垢的依據之一，結焦會使管壁溫度急劇上升，加劇爐管的腐蝕和高溫氧化，引起爐管鼓包

9、、破裂，使爐子操作性能惡化，甚至造成裝置提前停運，所以爐管的熱力分析具有十分重要的意義。由于爐管置于高溫中，管內有油品或其他介質的溫度、壓力和腐蝕的聯合作用，因此對爐管的要求很高。一般必須考慮到爐管材料的耐熱性、高溫強度以及耐腐蝕性能；耐熱性是指材料耐高溫氧化和耐高溫脆化的性能。爐管的耐腐蝕性能，主要根據實際生產裝置的使用經驗來決定。生產實際表明：原油性質以及脫鹽深度對碳鋼和1.25Cr0.5Mo鋼的腐蝕速率影響很大，含鹽量大的低硫原油腐蝕性也極強。另外，燃燒高含硫、含釩的燃料油，也會發生嚴重的高溫煙灰腐蝕和低溫露點腐蝕。為此加熱爐爐管的材質應根據介質的特性和操作條件適當選用，本著勤儉節約的精

10、神，結合我國的具體情況，合理地選用爐管，并配合防腐措施，并根據管壁溫度和內壓計算壁厚。據美國石油協會推薦的常規設計方法AP1530中，爐管設計壽命通常為10萬小時，不過，爐管有效壽命取決于實際操作工況和具體材料的性能，通常為3萬15萬小時。但實際使用壽命為設計壽命2/52/3者占絕大多數。本課題主要針對油田管式加熱爐的主要結構爐管進行熱力計算與管路設計，從而學習油田現場使用的加熱爐熱力與管路的設計方法、種類、特點、方式等，得出減少能耗、降低事故的優良管式加熱爐制造技術。1.2 研究目的及其意義加熱爐是油田常用設備之一，目前在各油田及管道上采用的加熱爐主要來加熱原油、水等介質，以滿足輸送、脫水、

11、拌熱、清蠟等集輸工藝要求。它與其他工業加熱爐相比，具有結構簡單、預制化程度高、操作方便、便于管理、易于實現自動化等特點。油田加熱爐又是有別與一般設備的“特殊設備”，它是一種能承受壓力的、具有爆破危險、還可能引發火災的特殊設備，關于加熱爐事故如爐管結垢、爐管腐蝕、火管燒損而造成爐管爆裂的報道也是屢見不鮮。所以其設計、制造、安裝、使用、檢驗、修理及改造都必須遵守有關的安全技術規程，并接受國家的安全技術監察。同時油田加熱爐又是油田主要的耗能設備，據業內人事統計大約占到油田耗能的40%左右。在崇尚節約型社會的今天，有效的提高加熱爐的熱效率、提升加熱爐生產運行中的安全性變得格外重要。加熱爐爐管（包括水管

12、或火管）是加熱爐的主要傳熱元件，與操作介質（煙氣、水、蒸汽）直接接觸。同時，它又是加熱爐最容易損壞的元件之一。保護好加熱爐爐管，延長其使用壽命，對保證加熱爐安全、經濟運行有十分重要的意義。本文旨在通過汲取先進成熟的加熱爐制造經驗，通過對加熱爐的熱力和管路設計得出減少能耗、降低事故的優良加熱爐制造技術。1.3 油田加熱爐熱力與管路國內外發展國內石油管式爐已有幾十年的發展史，自力更生，靠國內的技術開發，取得了很大的成就。改革開放后，與國外進行了技術交流和聯合設計，使國內石油化工管式爐的總體技術水平得到了迅速的發展。可以說，現在國內設計和建造的管式爐已基本上接近和達到了世界先進水平，但在加工制造和一

13、些特殊管式爐的前沿技術方面，與國外相比，還有一定的差距。表示管式爐技術水平的一個重要指標是通過爐管表面傳遞熱量的強度，即爐管表面熱強度。提高爐管表面熱強度就可以用較小的排管面積，完成較大的熱負荷。但是，爐管表面熱強度的提高要受到許多因素的限制。在加熱型管式爐中，首先要受油膜溫度的限制。爐管表面熱強度愈高，油膜溫度也愈高，當油膜溫度達到或超過油品裂解溫度時，油品就會產生裂解，這將影響最終產品的品質，或增加后加工藝裝置的負擔，嚴重時還會造成爐管結焦，縮短操作周期；在加熱-反應型管式爐中，爐管表面熱強度的提高則要受到管內空速和催化劑床層溫度的限制。只有采用性能良好的催化劑，允許采用較高的空速，以承受

14、更高的床層溫度，才能采用較高的爐管表面熱強度。 限制爐管表面熱強度的另一個重要因素是爐管金屬的最高允許使用溫度。熱強度愈高，管壁金屬溫度也愈高。當管壁金屬溫度達到最高允許使用溫度時，爐管表面熱強度不能再提高。否則，就必須換用更高級的爐管材料，這將意味著投資的增加。在管式爐中，爐管表面熱強度并不是均勻的。沿爐膛高度、寬度和長度三維方向上的溫度場是不均勻的，沿爐管圓周和管長方向上傳熱也是不均勻的。設計上常常采用爐管表面平均熱強度的概念，以簡化計算過程。實際上其限制因素是以爐管表面熱強度最高點來計算的。因此，使爐膛溫度場分布均勻，使熱傳遞沿爐管圓周和管長分布均勻，減小各種不均勻系數，就可以在最高熱強

15、度不超限的前提下，大大提高平均熱強度，從而減少排管面積，縮小大型化后管式爐的尺寸。加熱型管式爐的平均熱強度，國內設計和國外比較接近。個別設計平均熱強度較低者多數是因用戶要求留有余地，以便將來可提高裝置能力所致。加熱-反應型管式爐，國內設計的平均熱強度比國外同類管式爐要低得較多。例如制氫轉化爐，國內的平均熱強度一般僅4550千瓦/平方米，而國外的一般是7080千瓦/平方米，高的可達88千瓦/平方米。轉化爐大型化后，爐內溫度場和煙氣流動場的分布均勻性至關重要，因為轉化爐管的工作溫度已經十分接近其管材最高允許使用溫度，如果爐內溫度場和煙氣流動場不均勻，則個別轉化管極易超溫而引起早期損壞，以致不能長周

16、期安全運轉。為了解決這一難題，國外一些工程公司專門開發了爐內溫度場和煙氣流動場的大型模擬軟件包，應用這種軟件來模擬轉化爐內的溫度場和煙氣流動場，可以獲得燃燒器的最佳選型和布置，也可以獲得均勻煙氣流動場的最佳結構設計。以保證轉化爐在極高的平均熱強度下長周期安全運行。國內尚未開發這樣的軟件，這也是國內不敢盲目提高平均熱強度的重要原因之一。熱管技術的出現,讓油田加熱爐的發展又看到了新的生機。由于熱管元件不僅傳熱性能優異，而且具有多種特殊功能，使熱管問世不久，就獲得頗為廣泛的應用。即使在尺寸受限、條件苛刻或其它環境特殊的一些特定場合，傳統的換熱方式和手段通常無法應用或者事倍功半，甚至難以奏效。但是熱管

17、技術往往都能靈活運用，因而嶄露頭角。毫不夸張地說，從空間到地面，從軍工到民用，凡是需要熱量交換的場合，熱管技術總有用武之地，石油行業自然也不例外。 1942年，美國的R.S.Gangler首次提出了熱管的幻想，申請并獲得了專利，但因未能付諸實踐而影響甚微。直到60年代初美國Los Alamos科學實驗室的G.M.Grover及其合作者T.P.Cotter與G.F.Erikson獨立地重新發明這種高效傳熱元件并定名為Heat Pipe，熱管的構思才得以實現。G.M.Grover等人首先制成高溫鈉熱管并進行了性能測試，其結果于1964年發表。三十年來，美、德、意、英、法、原蘇聯和日本等國相繼對熱管

18、的傭論和應用開展了大量的試驗研究，有些已形成系列商業產品。熱管技術首先在衛星的溫度控制上使用，隨即在電子、電機的散熱冷卻和余熱利用等諸方面得到普遍應用。目前，在世界范圍內，從空間到地面，從軍工到民用，在航大、航空、電子、電機、核工業、熱工、建筑、溫度調節、余熱回收以及太陽能與地熱利用等方面已有數以萬計的熱管正在運行中。七十年代初期，除了繼續研制熱管在空間飛行器熱控制方面的應用之外，為了解決地面上的傳熱問題，熱管應用也得到了相當大的發展。美國出現了供應商品熱管的部門，值得一提的是在橫穿阿拉斯加輸油管線工程中，應用熱管作為管線支撐，保證地面的永凍層，共用112000根熱管，這是其在工程設計中的一個

19、最明顯的范例。熱管技術應用在加熱爐上是在上世紀70年代。1974年以后，熱管在節約能源和新能源開發方面的研究得到了充分重視。1980年，美國Q-DOT公司生產了熱管廢熱鍋爐，解決了排煙的露點腐蝕問題。之后，各國的熱管換熱器研制工作迅猛展開，回轉式、分離式等新的結構型式相繼出現，并且趨于工業化、大型化。目前國際發展最快的熱管技術為微型熱管技術。1984年，科特較完整地提出了微型熱管理論，為其研究與應用奠定了理論基礎。微型熱管的管的管徑通常只有1-2毫米，且具有各種形狀和尺寸，用于冷卻電子戶裝置的芯片、筆記本計算機CPU、大功率晶體管、可控硅整流器、復印機內發熱元件、電路控制板和印刷電路板(PCB

20、)。這些熱管的市場目前被日本及美國3家大公司所壟斷。美國的熱管換熱器應用近兩年呈上升趨勢，主要應用于家用空調。值得注意的是熱管元件及熱管換熱器產品的標準系列正在不斷完善，這將給大規模推廣應用帶來極大方便。我國于1970年即開始對有吸液芯的熱管進行研究，1972年第一支鈉熱管研制成功，至80年代初我國從事熱管研究的科研單位及大專院校已遍及全國。我國自1983年首屆國內熱管會議在哈爾濱召開以來己舉行了七次。廣泛和深入的學術交流與研討活動使熱管技術無論在理論、實踐、研究、制造、應用等方面均取得了新的突破和進展，熱管這項新技術不僅顯示了很強的生命力，而且開拓了傳熱傳質學研究的新領域。目前熱管研究重點已

21、由理論研究轉移到應用技術研究，熱管的應用重點也由航天工業轉移到了普通工業，并不斷擴展到民用產品。經過30幾年的努力，我國的熱管技術應用已處于國際先進水平。 由此可見將熱管技術成功應用到油田加熱爐上將有很大的發展空間。2油田加熱爐的傳熱強化與管路分類2.1加熱爐傳熱過程的強化現代生產中存在著大量傳熱問題，除了要計算傳熱量外，還要求強化傳熱過程、提高換熱設備的傳熱能力。影響傳熱強化的因素是，因此實現強化傳熱方法也是多樣的，下面介紹幾種強化傳熱的方法。2.1.1加大傳熱系數提高換熱系數K的途徑，即提高傳熱面兩側的換熱系數、避免或減輕污垢積聚、選用導熱性能良好的材料作傳熱壁面并盡量減薄其厚度。上述措施

22、都能使K值加大，但何種因素為主必須進行科學分析，這樣才能避免事倍功半的盲目性。一般來說，金屬壁的導熱系數大、熱阻小，且壁厚還受強度要求限制，不是可任意減薄的，因而不是強化傳熱的主要途徑；傳熱面上結垢、結灰或結晶時，由于污垢的導熱系數很小，因而熱阻很大，它往往成為強化傳熱的一大阻礙。因此在設計時要考慮清掃方便（如可拆結構）、合理的增加流速或控制溫度，或對流體進行預處理等措施以減輕結垢改善傳熱；傳熱面兩側的換熱系數由于流體和工況的不同往往差距很大，因此它們所構成的熱阻及在總熱阻中所占比重不同，對K值的影響也不同，應力圖改善熱阻較大（即h較小）者才有明顯的效果。當時，遠遠大于，如果改變，則K值變化較

23、大，效果顯著。反之，當時，則遠遠小于，則此時增大將能取得顯著的效果。至于提高目前廣泛利用的原理是加強湍流（即加大內部或外部擾動）；改變流體物性；在某些特定場合使流體發生相變（沸騰或凝結換熱）；改變換熱表面情況（改變表面形狀、結構、粗糙度）等。2.1.2加大平均溫差平均溫差的大小直接影響傳熱量。兩流體的溫差或流體與傳熱面間的溫差很大時，所產生的附加自然對流還會對傳熱系數K值產生影響。下面介紹加大平均溫差的重要方法。盡量采取接近于逆流的傳熱方式。采用逆流方案時應考慮到冷、熱流體的最高溫度都處在設備的同一端（出口處），使該端傳熱面的壁溫較高，如果因此而提高了對材料的要求，則需從安全和經濟角度出發作技

24、術經濟比較決定。在這種情況下采用逆流方式未必是可取的。合理的措施是把換熱面分段串聯，升溫段采取逆流，高溫段采取順流或逆流并在必要時采用耐高溫材料，例如大型高壓鍋爐的過熱器就是這樣設計的。在采用多管程折流方式時還應注意避免溫度交叉（即反傳熱）現象的發生。例如一臺單殼程雙管程換熱器，采用先并（順）流后逆流時，冷流體終溫接近熱流體初溫，并可能高于熱流體終溫，熱利用率高且不發生溫度交叉現象；如果采用先逆流后并流，當冷流體出口溫度超出熱流體出口溫度時，會發生溫度交叉現象，使有效平均溫差降低，熱利用率降低。溫度交叉現象在其它多程折流換熱器中也可能出現，采用多殼程或單管程串聯的辦法可以避免溫度交叉的發生。2

25、.1.3采用高效能傳熱面為了加大傳熱面積而使加熱爐龐大、臃腫，會為制造、安裝、操作帶來困難，顯然不是努力的方向。高效能傳熱面不僅包含傳熱面積的擴大，而且還包括傳熱面上流動特性的改善。例如，工業上常用的帶肋擴展面，不僅加大了單位空間內的傳熱面積，還促進了流體流過表面時的湍流，從而使換熱強度進一步加強。在這方面，工業上采用的措施是很多的，而且是日新月異，現就主要措施作簡要介紹。1. 合理布置受熱面合理布置受熱面，例如采用合適的管間距或排列方式（叉排），不僅可以加大空間所能布置的傳熱面積，還可以改善流動特性；傳熱面與流體流向的相對位置對傳熱也有影響。管外橫向沖刷優于縱向沖刷，交錯排列的管束優于順次排

26、列的管束。2. 采用粗糙表面或帶肋面這是工業上應用最廣的強化方法。所有高低、低翅片管、螺紋管都屬于此類，它也可看作粗糙化的發展。這類傳熱面的具體形式比較復雜，共同特點是加大了傳熱面積和促進了湍流，因而傳熱效率很高。3. 采用板型傳熱面按單位體積（或重量）計薄板具有很大的傳熱表面這一點很易理解。近幾時年來發展起來的波紋平板式、螺旋板式、板殼式及板赤式等換熱器，都屬于板型傳熱面。這類產品共同特點是緊湊、高效，故又稱緊湊式。由于結構緊湊、用材占地都少，很有發展前途。但在制造工藝、運行檢修、以及消耗于流阻的能量等方面也產生不利的因素。4. 采用異形管將管子表面用軋制、打扁或爆炸成型等方法制成各種凹凸形

27、、波紋形、橢圓形、扁平狀等可以提高傳熱效率。因為管子的截面和形狀都發生了變化，因而流體也隨之不斷改變方向和速度，促使湍流加強、邊界層厚度減薄，傳熱加強。與光管相比，換熱系數可提高20200%，但流動阻力也迅速增加。對于這種傳熱面的強化有人也把它歸入表面粗糙化強化中去論述。5. 采用多孔表面或表面涂層表面結構狀況的改變除了增加了表面積和粗糙度外，還改變了表面的潤濕性和汽化核心數目，對于相變換熱的增強往往具有特殊意義。6. 采用混合式換熱方式以上傳熱面的擴大或改善都是以間壁式換熱方式為基礎的。它存在一個明顯的固體間壁面把兩種換熱流體分開。在工業上還有一種通過兩種流體直接接觸來完成換熱的方式，稱為混

28、合式換熱，它們的傳熱面就是接觸面，不存在外加傳熱面的熱阻。為了擴大接觸面積，常使流體分散成霧滴狀并使兩者均勻混合、密切接觸，以達到均勻傳熱的目的。2.2評價傳熱強化的方法在評價傳熱過程強化的效果時，需要考慮的因素很多，諸如經濟性，安全性，制造、安裝、運行和維修的工藝技術以及對材料的需求等，因而不可能定出一個評價強化方法的通用準則。單純追求K、或A的改善是不行的，因為這樣那樣的措施往往帶來流動阻力的增加和其它方面的消耗或要求更高。從實際應用的角度來考慮，常在流動阻力相等的條件下比較換熱系數，看它們在不同Re、Pr和強化方法下換熱系數的大小，即： （1）式中：h、h分別強化和強化時的換熱系數； 下

29、標P表示流動阻力或泵功率相等的條件。這樣，當1時，說明在滿足相同熱負荷情況下，換熱器尺寸小了，重量輕了。應當明白是一個重要的評價標準，但不是唯一標準。某些條件雖然1可能仍然是可能的。例如，某些工藝條件增強傳熱是主要要求，流動阻力的大小居次要地位時便是如此。此外，在某些場合則制造方便、省能、運行穩定、維修簡易是主要要求，就不一定去追求很高的傳熱強度。這一切都應綜合考慮，根據實際情況選取合適的方案。E.K.加里寧在對光滑管及人造湍流管構成的兩種逆流式換熱器作了比較以后，認為在的條件下才能受到強化的效益，而且相差較大，效果越明顯，Nu代表強化后的阻力系數和努塞爾數，下標s代表光滑管。用“熵增單元數”

30、來評價傳熱強化，近幾年來時有報道，該方法不僅考慮到能量消耗，而且還考慮到能級水平。2.3爐管的分類2.3.1爐管規格油田加熱爐爐管常用規格摘自管式加熱爐規范見表表1常用爐規格摘自管式加熱爐規范爐管規格(mm)(外徑壁厚)管子重(kg/m)爐管外徑(mm)(外徑壁厚)管子重(kg/m)6056.78127823.486067.991271028.8560810.26152621.6089612.28152828.4189815.981521035.02891019.481521653.66102614.211522068.56102818.581801871.911021022.69180229

31、3.32114615.98219841.63114820.912191051.541141025.652191261.26127617.902191470.782.3.2爐管材料爐管材質應根據管壁設計溫度、設計壓力和工作介質合理選用，并考慮所選爐管蠕變溫度的影響。常用爐管材料及最高使用溫度摘自管式加熱爐規范，見表2。 表2常用爐管材料及最高使用溫度鋼種國內規范最高使用溫度抗氧化極限溫度主要性能10,20號鋼YB273-70YB273-70YB273-70450500600560560635抗低硫腐蝕耐中溫15CrMoCr2MoCr2MoYB273-70600600600650635650700

32、700抗氫,硫腐蝕耐高溫Cr5MoCr5MoSiCr9Mo1Cr18Ni9GB2270-80GB2270-80GB2270-80GB2270-80650650650650820820820870抗硫化氫腐蝕耐高溫持久應力高1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni8Nb1Cr18Ni12Mo2TiHK-40100010001000105011001200抗相析出抗相析出抗滲碳，耐熱疲勞Cr25Ni20C=0.35CR20Ni32HT-40Cr16Ni36Cr25Ni352.3.3爐管壁厚爐管壁厚采用值(包括腐蝕裕量) 摘自管式加熱爐規范不應小于表3中的規定。表3 爐管壁厚 單位:mm爐管外徑碳鋼、鉻鉬

33、鋼爐管奧氏體不銹鋼爐管603.42.4894.82.710252.71145.32.71275.53.015263.02197.23.32738.13.72.3.4 急轉彎管常用管心距 急轉彎管常用管心距摘自管式加熱爐規范應按表4選定。 表4 180急轉彎管的管心距爐管外徑管心距爐管外徑管心距6080,150127215,25089160,178152275,304102172,203219372,438,400114203,230273478,546注：較大管心距的急轉彎管，一般用于輻射爐管或翅片管的連接；較小管心距的急轉彎管，則常用于對流光管的連接。3爐管的安全評價爐管處于高溫燃燒環境下工

34、作，隨爐內溫度場的變化，導致爐管不同部位、不同程度的損傷，其正常損傷表現為氧化、球化、滲碳和腐蝕，非正常損傷可導致爐管開裂、爆破。因此對加熱爐爐管的安全評估應根據不同的爐型、爐管不同的使用條件、使用環境、材料特性進行具體的分析和診斷。3.1爐管損傷綜述爐管用于加熱原料或承擔反應器的作用，其運行環境比較惡劣，要承受管內烴類滲碳環境、管內外氧化硫化及高溫環境下爐管承受內壓引起的應力、內外壁的溫差應力、停爐時內壁結焦線膨脹系數變小導致管子所受拉應力、滲碳層管子比體積和膨脹系數發生變化而產生的附加應力、管子結焦滲碳層不均勻和開停爐引起的熱應力以及自重、疲勞、熱沖擊等復雜的應力作用。高溫爐管是在相當苛刻

35、的環境下工作的，直接見火，而且設計上不可能留有很高的安全系數(否則，爐管會過厚，將帶來一系列的問題)，因而比較容易發生嚴重的壁厚減薄、變形、破裂、鼓包、內外腐蝕等損壞。加熱爐爐管管壁腐蝕可分為外壁的高溫煙氣腐蝕、脫碳，內壁的高溫結焦、硫腐蝕、氫蝕等。國內外加熱爐的使用經驗表明，加熱爐管常見的失效形式有:滲碳、滲碳開裂、蠕變開裂、熱疲勞開裂、熱沖擊開裂、彎曲、鼓脹及氧化等形式。究其原因一般為:滲碳、熱疲勞、熱沖擊、氧化、硫化、熱腐蝕、沖蝕等。以上幾方面的故障，輕者可影響加熱爐的工藝生產，使爐管產生變形和開裂，加大爐體的散熱損失而使能耗加大，生產效率下降，直接影響加熱爐的總體效益，重者可影響加熱爐

36、的安全，導致事故而使生產停產。3.2安全評價技術 安全評估是采用系統科學的方法確認系統存在的危險性，并根據其形成事故的風險大小，采取相應的安全措施，達到系統安全的過程。企業要生存和發展，必須有一個良好的安全環境，安全工作是企業經營管理工作的重要組成部分。作為現代化的企業安全管理，它的一個重要標志是以預防為主，即在事故發生之前，用科學原理和工程技術方法，對系統中的各種危險進行辨識、控制，并對系統的安全狀況進行評估，以預防事故的發生，把可能造成的損失限制在最低的程度。安全評估技術起源于美國。安全評估是伴隨著系統安全工程的發展而發展起來的。六十年代以來，美國空軍倡導的系統安全思想為人們所接受，形成了

37、獨立的系統安全評程學科，此后，系統安全工程得到迅速的發展。由各種系統安全工程方法形成了安全評估的一個流派。與此同時，美國道化學公司針對化工生產的特點，首創了危險指數法，形成了與系統安全工程方法并行不悖的一個流派。由于安全評估所涉及內容的復雜性，定量評估的難度很大，到目前為止，國際國內還沒有一套通用的安全評估方法。目前比較成熟，自成體系的系統安全評估方法有：(1)美國道化學公司的火災、爆炸危險指數法；(2)英帝國化學公司的蒙德評價法；(3)日本化工省的六階段安全評價法；(4)LEC法；(5)我國兵器工業部機械工廠安全性評價方法與標準；(6)系統工程分析評價方法；(7)概率風險評價法；(8)檢查表

38、法；(9)美國達信風險評價法。3.2.1幾種安全評估方法簡介1. 道化學公司火災爆炸危險指數法道化學公司方法影響最大，早在1964年，美國道化學公司根據化工企業使用原料的物理、化學性質、生產中的特殊危險性，考慮到具體工藝處理中的一般性和特殊性之間的差別以及物量等因素的影響，以火災、爆炸指數形式定量地評價化工系統的危險程度，并根據此提出安全對策，改進工藝過程和設備的安全性，提高工廠的安全水平，形成道火災爆炸危險指數評價方法(簡稱道公司方法)。道公司方法是一種參數相關的方法，開創了化工生產危險度(半)定量評價的歷史。它將生產裝置劃分為若干工藝單元，逐一分析其危險性，它以代表物質危險性大小的物質系數

39、為基礎，再考慮工藝過程中其他因素如操作方式、工藝條件、設備狀況、物料處理量、安全裝置、檢測儀表等的影響，來計算每個單元的危險度數值，然后按數值大小劃分危險度級別和確定損失程度。它主要是對生產過程中固有危險的度量。2. LEC法在具有潛在危險環境下作業的一種簡單易行的評估方法。由美國格萊姆等人提出，他認為作業危險應該是三個因素的乘積(D)，這三個因素為:發生事故或危險事件的可能性(L)；人出現在危險環境下的時間(E)；發生事故后可能產生的結果(C)。D值越大，作業的危險性越大。通過評估，能夠計算出各種作業的危險程度，從而能警示人們哪些作業應該立即采取措施，否則有發生事故的可能性。3. 事故樹法安

40、全系統工程中的事故樹分析法，是預測和預防事故最有效的安全評估方法之一。它是一種科學的邏輯分析方法，通過邏輯推理找出導出事故(預想的和已發生的)所有的基本原因，并按先后順序和因果關系繪出方框圖，用邏輯門連接起來，從而能簡明形象地描述事故的因果關系。4. 美國達信風險評價法美國達信風險評價方法是由前英國塞奇維克公司開發的，故曾稱為“英國塞奇維克風險評價”。達信風險評價方法采用的是“4分法”(40分)。它運用安全系統工程中的安全檢查表法，將被評估裝置、系統按照工藝裝置布局、工藝控制系統和緊急停產系統等18個項目為內容，以硬件為主，作為每項的“評估要素”進行打分，按照評價分值范圍予以危險程度分級。“4

41、分法”的評價分值范圍為40分，共劃分為6個等級:43.4分為“優秀”；3.42.5分為“好”；2.52.1分為“平均水平”；2.11.3分為“基本達標”；1.30.5分為“差”；0.50分為“很差”。對各裝置、系統按“4分法”進行風險評定之后，根據被評裝置、系統的生產能力高低、價值大小、工藝設備、工藝物料、介質特性、關鍵性傳動機械設備運行參數、事故發生概率及損失等諸多因素進行計算機數據處理，再列出建議和措施，用色標標明優先整改目標的排列順序。最后撰寫總評估報告。3.2.2石油系統安全評估模式 目前國內外制訂的安全評估方法很多，每個評估方法都有各自的優缺點和適應性，對具體的評估對象，必須選擇合適

42、的方法才能取得良好的評估效果，在選用評估方法之前，應考慮以下因素: (l)確定安全分析和評估的目的; (2)確定危險評估的內容和對象; (3)分析、評估方法的選擇。 鑒于評估方法的不完善及評估對象的復雜性，目前還沒有一種方法對其做出完全評估，只能選用幾種評估方法對其進行評估，互相補充、綜合分析、相互驗證，才能更好地辨識危險、提高評估結果的準確性和可靠性。3.3 安全評估技術的發展趨勢 基于風險的安全評估方法和把數據庫與計算機技術應用于傳統的安全評估方法之中是目前安全評估方法的發展趨勢。 風險存在于生活的方方面面，人們將“能導致傷害的災害可能性和這種傷害的嚴重程度”定義成“風險(risk)”。另

43、外，歐洲機器安全規范(Es on safety of machinery)還把“風險評估(risk assessment)”定義為:“采用一系列的邏輯步驟，使設計人員和安全工程師能夠以一種系統的方式檢查由于機器的使用而產生的災害，從而可以選擇合適的安全措施”。基于風險的安全評估(risk based security assessment，縮寫為RBSA)能夠定量地抓住決定安全性等級的兩個因素:事故的可能性和嚴重性。并在此基礎上引入了風險指標，從而對系統安全性做出更科學、細致的評估。美國達信風險評價方法和美國石油協會風險檢驗(API581)就是很成功的基于風險的安全評估方法和標準。 道化學公司

44、方法等傳統安全評估方法的基本特點為: (l)它的每一個環節都靠評價者用手工方式來完成。就其本質而言，這些都是憑借評價人員直接或間接的經驗，來確定評價結果； (2)評價人員的大部分精力耗費在局部參數的確定中，而對評價全局難于進行深入的研究。 傳統評估方法的基本特點決定了其具有以下的局限性: (l)評估結果在很大程度上取決于評估人員的個人經驗，不同經歷的人員會評估出不同的結果，有時甚至會大相徑庭； (2)在評估過程中，由于受人員自身條件的限制，對評估中大量出現的有條件約束的地方，特別是對需要根據已確定的參數，判斷出當前參數的選取是否合理的地方，很難做到精確地把握； (3)評估人員往往為了確定某一個

45、或幾個參數，而要去翻閱大量的資料，致使評估周期特別長、效率低； (4)在一次評估過程中，需要對多個生產單元進行評估，每個生產單元又包括多個評估單元，而且每個單元又會在不同階段被評估，因此在多次評估之后，會出現大量的評估結果，采用手工方式很難對以往的資料進行系統的整理，從而大大降低了對歷史信息的利用率。 從中可以看出，傳統的安全評估方法已經不能滿足對石油企業安全進行科學的綜合評估的要求，隨著數據庫應用技術和計算機技術的發展，在傳統的安全評估方法的基礎上，把數據庫和計算機技術應用于其中，研究和開發計算機輔助的安全評估方法具有重大的意義。 計算機輔助的安全評估方法具有科學計算、圖形處理、數據處理和分

46、析等功能，將安全評估人員從繁重的計算過程中解放出來，給評估工作節省了大量時間、智能化的評估使得系統在評估過程中具有邏輯判斷的“思維”能力，即程序能夠對原始數據或計算過程中產生的數據進行一定形式的判斷，對判斷的結果進入下一步評估計算過程，或給評估者一些提示，進行下一步操作的選擇，使評估者盡可能得到計算機的提示和幫助，不用為下一步該如何進行而去翻閱有關資料。3.4目前爐管的剩余壽命評估方法 剩余壽命評估技術是最近幾十年發展起來的新興技術。這一技術是許多學科綜合發展的結果。這些方法和技術的綜合運用使得對工業系統關鍵部件的完整性的深入了解成為可能，這將對延長工業系統設備裝置壽命的決策過程中提供技術和經

47、濟方面的支持。目前，高溫、高壓容器等金屬結構的剩余壽命評估技術已得到成功應用，取得了很好的經濟效益。3.4.1爐管溫度及壽命監測技術的基本方法是：1. 用超聲測厚系統測量管壁的金屬層厚度及內壁氧化層厚度；2. 合超溫評估技術、根據管內壁氧化層測量計算管壁的實際運行溫度場；3. 據金屬層厚度的測量，計算出鍋爐管的應力分布場；4. 根據材料老化測量，計算材料老化因子。耐熱鋼爐管長期服役后，組織變化如何影響剩余壽命，國內外專家學者對此進行了大量的研究工作。最近十幾年發展起來的爐管剩余壽命預測方法。歸納起來有以下幾種方法。3.4.2剩余壽命評估方法1. 材料狀態檢測與評估為了預測爐管的剩余壽命，人們建

48、立了多種材料性能模型以進行分析計算，如:蠕變模型、低周疲勞、高周疲勞、腐蝕模型等，其中蠕變模型發展的比較完善和成熟。用蠕變模型評定爐管的剩余壽命需要采用累計損傷原則，該方法即將爐管的服役期劃分為幾個階段，在每個階段中爐管工作壓力、工作溫度以及腐蝕速率都應為恒定值。對每一個階段都要計算損耗壽命占使用壽命的比例，這些壽命比例的加和就是爐管的累計損傷因子。2. 金屬溫度場評估綜合采用氧化分析法，硬度分析法，碳化物相成份分析等多種方法對部件的溫度場分布進行評估，這是鍋爐管壽命評估的關鍵。3. 管壁應力場評估采用實際測量的直徑和金屬壁厚等數據，建立部件的應力場分布。4. 殘余壽命評估采用綜合考慮材料老化

49、狀態和性能劣化狀態的強度分析方法（老化因子修正法）評估鍋爐管壽命，建立部件的壽命分布狀況。5. 斷裂力學的方法用無損檢測法(如超聲檢測裂紋長度、渦流檢測滲碳層厚度)來評價加熱爐管的剩余壽命。這是近年來發展起來的，目前只能作粗略的評價，還不能定量的確定爐管的剩余壽命。并且無損檢測技術有待進一步完善，實際爐管中復雜的多裂紋擴展行為、失穩擴展判據等方面還要做大量的理論分析和試驗研究。另外，裂紋擴展速度除裂紋長度外還受到材料組織的影響，但用無損檢測方法預測壽命、組織和性能的關系仍是重要的一個環節。為預測加熱高壓構件的剩余壽命，人們已經建立了各種壽命預測模型，其主要是針對材料的高溫性能進行分析，在利用外

50、推法進行確定實際溫度、應力下的剩余壽命。3.4.3基于腐蝕損傷模型和基于蠕變模型的壽命評估方法下面介紹一種依據檢測溫度分別采用了基于腐蝕損傷模型的壽命評估方法和基于蠕變模型的壽命評估方法。對于碳鋼來說，當溫度高于300350蠕變影響比較明顯，對于合金鋼來說，當溫度高于350400蠕變影響比較明顯，因此，以350為界采用了不同的壽命評估方法。當溫度低于350,腐蝕損傷程度和腐蝕速度對爐管壽命起主導作用，估算壽命的方法采用最小壁厚法，即用當前檢測壁厚值減去最小許用壁厚值得到差值，再用差值除以腐蝕速率得到的年限即為剩余壽命，由腐蝕損傷決定的爐管剩余壽命計算方法比較簡單。當溫度高于350時采用的基于蠕

51、變模型的壽命評估方法。蠕變溫度范圍內的剩余壽命的計算是依據美國石油學會公布的AP1530標準，利用建立在Larson-Miler方法基礎上的爐管剩余壽命估算方法對加熱爐的工作狀態及爐管壽命進行診斷與評估。為了計算給定溫度和壽命下的允許破斷應力，必須選擇合適的L-M參數，根據Larson-Miller參數先計算出材料斷裂時間，再計算累積損傷，然后折算出材料的剩余壽命，有腐蝕損傷時將可以計算出損傷分數，折算總的累積損傷。 L-M常數由爐管所受平均應力值計算得到，而平均應力值則由爐管工作壓力、管徑和壁厚值來確定，因而只要測出爐管所受的溫度、管徑、壁厚以及工作壓力，在不考慮腐蝕的影響下即可估算爐管的損

52、傷程度和剩余壽命，如果考慮腐蝕影響則需要確定腐蝕速率。計算的基礎過程為:將爐管按所受的壓力、溫度和腐蝕速率基本恒定的歷程分為若干過程，將每一過程的壽命分數累計起來就是消耗的總壽命，當消耗的總壽命值為1時爐管需要更換。用1減去消耗的總壽命即為剩余壽命分數，并且在一定條件下可以將剩余壽命分數轉換成爐管的剩余壽命。具體算法如下:管壁應力計算公式: （2）式中： 管壁應力，Mpa； P 工作壓力，Mpa； 爐管外徑，mm； t 管壁厚度，mm；Larson-Miller理論認為，對各種材料和應力水平條件，在溫度和時間變量間存在有一個統一的參數LMP，可用下式表示:LMP （3）式中，LMP材料的Lar

53、son-Mile參數，由AP1530標準查得.對規定的材料和一定的應力P是常數；式中， 爐管溫度，由紅外熱像圖得到()； C 材料常數，由鋼的組織決定，鐵素體鋼C=20，奧氏體鋼C=15; L爐管在某階段條件下不考慮腐蝕速率的設計使用壽命，小時。利用式可以求得溫度和壽命的關系，找到所需長期工作條件下的相應短期試驗條件。因而只要即時測出高溫爐管所受的溫度，即可估算爐管的損傷程度和剩余壽命。按以上計算，溫度是關鍵性因素，其它因素，如爐管厚度、管徑及變化，金屬的性能、壓力和腐蝕速度等因素都是計算爐管剩余壽命和損傷程度的參數。通過紅外熱像檢測出的爐管的溫度可以實現爐管的剩余壽命和損傷程度的評估。由公式

54、反推得到:Log （4）利用公式可求出值。這樣借助大量材料基礎數據，可以研制基于以上模型的計算機評估系統，用于計算和評估爐管剩余壽命。L-M曲線是由不同溫度、不同應力下試樣的斷裂試驗所得數據整理而成。曲線的縱坐標為(Mpa)，橫坐標為L-M指數P，具體做法如下:對要評估的爐管，在其不同的管段上截取試樣，測定相同溫度和應力下的持久強度得到一組數據，分別換算出L-M法的指數LMP，再在相同溫度下降低應力測定其持久強度，又得一組數據。逐漸降低應力，得到幾組持久強度數據和LMP值，然后分別連接各組試樣數據，得到幾條不同部位試樣的L-M曲線，然后選取代表爐管損傷最嚴重部位的(位置最低的)一條曲線，將其延

55、長線(管壁許用應力)相交，得出LMP值。最后利用公式計算出剩余壽命。綜上所述，指數LMP和溫度以及斷裂時間L有一定的函數關系，可以用較高溫度、較短斷裂時間的試驗得到的數據換算成較低溫度、較長時間下的數據， 這是使用L-M曲線的優點。Larson-Miller參數外推法結果比較可靠，使用較廣泛，美國石油協會API530標準就是基于以上的理論基礎并在美國各煉油廠得到了廣泛的應用。蠕變溫度范圍內的剩余壽命的計算依據L-M方法，該方法不僅適用于新爐管的壽命評估工作，用此方法可以確定檢修周期和報廢時間，計算爐管的損傷程度和剩余壽命。通過對加熱爐內多根爐管溫度、剩余壽命、外徑與壁厚同時進行統計分析，互相對照，估算爐管的剩余壽命，分析壽命與材料損傷的原因，并對加熱爐的工作狀態進行評估與診斷，為及時給出加熱爐的故障排除方案提供一種新方法。3.5爐管剩余強度的分析方法近年來，國內外對于腐蝕管道的剩余強度分析給出了多種方法和規范，但美國的B31G規范是對腐蝕剩余強度分析中用的最多的方法。