Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

Все трубы подвергаются прямому воздействию газообразной среды, которая имеет высокую температуру. Этим достигается:

а) уменьшение общей площади теплоотдачи печи, так как количество тепла, отданного единице площади труб, путем радиации при одинаковой температуре среды (особенно при высоких температурах этой среды), значительно больше, чем количество тепла, которое можно передать путем конвекции;

б) хорошая сохранность футеровки за трубчатыми змеевиками, благодаря тому что снижается ее температура, во-первых, за счет прямого закрытия части ее трубами, во-вторых, за счет отдачи тепла излучением футеровкой более холодным трубам.

Обычно нецелесообразно закрывать все стены и свод трубами, так как этим ограничивается теплоизлучение открытых поверхностей, а в результате уменьшается общее количество тепла, отдаваемого единицей площади труб.

Например, у современных типов кубовых печей отношение эффективной открытой поверхности к общей внутренней поверхности печи колеблется в пределах 0,2…0,5.

Чисто радиационные печи из-за простоты конструкции и большой тепловой нагрузки труб имеют самые низкие капитальные затраты на единицу переданного тепла. Однако они не дают возможности использовать тепло продуктов сгорания, как это имеет место y радиационноконвективньгхпечей.Поэтомурадиационныепечиработаютсменьшей тепловой эффективностью.

Радиационные печи применяются при нагреве веществ до низких температур (приблизительно до 300°С), при небольшом их количестве, принеобходимостииспользованиямалоценныхдешевыхтоплививтех случаях, когда особое значение придается низким затратам на сооружение печи.

РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫЕПЕЧИ

Радиационно-конвективная печь (рис. 2.73) имеет две отделенные друг от друга секции: радиационную и конвективную.

Большая часть используемого тепла передается в радиационной секции (обычно 60…80% всего использованного тепла), остальное – в конвективной секции.

Конвективная секция служит для использования физического тепла продуктов сгорания, выходящих из радиационной секции обычно с температурой 700…900°С, при экономически приемлемой температуре нагрева 350…500°С (соответственно температуре перегонки).

151

Рис. 2.73. Радиационно-конвективная печь:

1 — камера радиации; 2 — камера конвекции; 6 — дымоход; 4 — змеевик; 5 — футеровка;6 — горелочные устройства

Величина конвективной секции, как правило, подбирается с таким расчетом, чтобы температура продуктов сгорания, выходящих в боров, была почти на 150°С выше, чем температура нагреваемых веществ при входе в печь. Поэтому тепловая нагрузка труб в конвективной секции меньше, чем в радиационной,что обусловлено низким коэффициентом теплоотдачи со стороны дымовых газов.

С внешней стороны иногда эти трубы снабжаются добавочной поверхностью – поперечными или продольными ребрами, шипами и т.п.

Почти все печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, являются радиационно-конвекционными. В печах такого типа трубные змеевики размещены и в конвекционной и в радиантной камерах.

По конструктивному оформлению трубчатые печи классифицируются:

— по форме каркаса:

а) коробчатыеширококамерные(рис.2.74а),узкокамерные(рис.2.74б); б) цилиндрические(рис. 2.74в); в) кольцевые; г) секционные;

Рис. 2.74. Форма каркаса печи:

а — коробчатой ширококамерной печи; б — коробчатой узкокамерной печи; в —цилиндрической печи

152

—по числу камер радиации:

а) однокамерные; б) двухкамерные; в) многокамерные;

—по расположению трубного змеевика:

а) горизонтальное (рис. 2.75а); б) вертикальное (рис. 2.75б);

Рис. 2.75. Расположение трубного змеевика:

а— горизонтальное; б — вертикальное

—по расположению горелок:

а) боковое; б) подовое;

—по топливной системе:

а) на жидком топливе (Ж); б) на газообразном топливе (Г);

в) на жидком и газообразном топливе (Ж+Г);

—по способу сжигания топлива:

а) факельное; б) беспламенное сжигание;

—по расположению дымовой трубы:

а) вне трубчатой печи (рис. 2.76а); б) над камерой конвекции (2.76б);

—по направлению движения дымовых газов:

а) с восходящим потоком газов; б) с нисходящим потоком газов;

г) с горизонтальным потоком газов.

153

Рис. 2.76. Расположение дымовой трубы:

а— вне трубчатой печи; б — над камерой конвекции

2.4.2.Показатели работы печей

Каждая трубчатая печь характеризуется тремя основными показателями:

—производительностью,

—полезной тепловой нагрузкой,

—коэффициентом полезного действия.

Производительностьпечивыражаетсяколичествомсырья,нагреваемого в трубных змеевиках в единицу времени (обычно в т/сутки).

Она определяет пропускную способность печи, т.е. количество нагреваемого сырья, которое прокачивается через змеевики при установленных параметрах работы (температуре сырья на входе в печь и на выходе из нее, свойствах сырья и т.д.).

Таким образом, для каждой печи производительность является наиболее полной ее характеристикой.

Полезная тепловая нагрузка — это количество тепла, переданного в печи сырью (МВт, Гкал/ч). Она зависит от тепловой мощности и размеров печи. Тепловая нагрузка большинства эксплуатируемых печей

8…16 МВт.

Перспективными являются более мощные печи с тепловой нагрузкой 40…100 МВт и более.

Коэффициент полезного действия печи характеризует экономич-

ность ее эксплуатации и выражается отношением количества полезно используемого тепла Qпол к общему количеству тепла Qобщ, которое выделяется при полном сгорании топлива.

154

Полезно использованным считается тепло, воспринятое всеми нагреваемыми продуктами (потоками): сырьем, перегреваемым в печи паром и в некоторых случаях воздухом, нагреваемым в рекуператорах (воздухоподогревателях).

Значениекоэффициентаполезногодействиязависитотполнотысгорания топлива, а также от потерь тепла через обмуровку печи и с уходящими в дымовую трубу газами.

Трубчатые печи, эксплуатируемые в настоящее время на нефтеперерабатывающих заводах, имеют КПД в пределах 0,65…0,87.

Повышение коэффициента полезного действия печи за счет более полного использования тепла дымовых газов возможно до значения, определяемого их минимальной температурой. Как правило, температура дымовых газов, покидающих конвекционную камеру, должна быть выше начальной температуры нагреваемого сырья не менее чем на 120…180°С.

Эксплуатационные свойства каждой печи наряду с перечисленными показателями характеризуются:

—теплонапряженностью поверхности нагрева;

—тепловым напряжением топочного объема;

—гидравлическим режимом в трубном змеевике при установившейся работе.

Откомплексаэтихпоказателейзависятэффективностьработытрубчатых печей и срок их службы.

2.4.3.Оборудование трубчатых печей и особенности его эксплуатации

ТРУБЧАТЫЙЗМЕЕВИК

Трубчатый змеевик является наиболее ответственной частью печи. Егособираютиздорогостоящихгорячекатаныхбесшовныхпечныхтруб.

Применяют бесшовные катаные трубы из углеродистой стали марок 10 и 20 (при температуре до 450°С) и из легированных сталей 15Х5М и 15Х5ВФ (при температуре до 550°С). При более высоких температурах нагрева сырья используют трубы из жаропрочных сталей. Трубы из углеродистой стали можно применять только в неагрессивных средах.

Трубы могут соединяться в змеевики двумя способами:

а) ретурбендами — соединение производится посредством развальцовки концов труб в гнездах;

155

б) калачами или двойниками – соединение производится посредством сварки (рис. 2.77).

Рис. 2.77. Печной двойник

Змеевик печи может иметь и комбинированное исполнение: в конвекционной камере или на начальном ее участке — сварной, а на всех остальных участках, испытывающих большую теплонапряженность – на ретурбендах.

Когда по условиям эксплуатации нет необходимости в систематическом вскрытии торцов труб (для чистки или ревизии), предпочтение следует отдавать сварному змеевику, как наиболее простому, компактному, дешевому и надежному в работе.

Ретурбенды представляют собой стальные литые или кованые короба, соединяющие трубы в змеевик. Направление потока в них изменяется на прямо противоположное.

Существуют угловые ретурбенды, в которых направление движения потока изменяется под прямым углом. Их применяют при переходе змеевика из одной камеры в другую или с одного экрана на другой.

Конструкция всех ретурбендов такова, что в случае необходимости может быть открыт доступ к внутренней поверхности печных труб. Для этого из гнезд его извлекают конусные пробки, закрывающие короб и прижимаемые к нему траверсными болтами.

156

Литой ретурбенд предназначен для соединения двух труб. Он называется однопоточным в отличие от двухпоточных, в которых соединяются четыре трубы. У литых ретурбендов траверсы вставляются

впроушины корпуса. У кованых ретурбендов траверсы при затяжке траверсного (нажимного) болта упираются в специальный подковообразный выступ корпуса. Литые ретурбенды более надежны, компактны и экономичны, чем кованые, поэтому им отдается предпочтение.

Вцилиндрических гнездах ретурбенда под трубы протачивают по одной или две канавки глубиной 1,5…2 мм для надежности развальцовочного соединения. При развальцовке концы труб должны быть отбуртованы. Для того чтобы развальцовка была надежной, гнезда ретурбендов под трубу должны быть тверже материала трубы. Коробка и все детали ретурбенда подвергаются термообработке.

Расчет ретурбендов производят на усилия, вызываемые давлением

вкоробе, и на распорные усилия от пробок, прижимаемых к корпусным гнездам. Осевое усилие, возникающее в болте, определяют по моменту, создаваемомурабочим(приручнойзатяжке)илигайковертомвмомент завершения затяжки.

Печные трубы работают в трудных условиях; они подвержены двустороннему воздействию высоких температур: изнутри — от нагреваемого сырья и снаружи – от дымовых газов и излучающих поверхностей.

Внутренние поверхности труб подвержены коррозионному и эрозионному износам. Наибольшая коррозия наблюдается при переработке сернистых нефтей, а также нефтей, содержащих хлористые соли.

Эрозионный износ обусловлен содержанием в нагреваемом сырье механических включений и большими скоростями движения среды по трубам. Особенно интенсивно изнашиваются концы труб.

Наружные поверхности труб в процессе эксплуатации подвергаются износу из-за коррозии дымовыми газами, окалинообразования и прогаров.

Коррозии дымовыми газами подвержены главным образом поверхности труб первых рядов змеевика конвекционных камер, если температура сырья на входе в печь ниже 50°С, т.е. ниже наиболее вероятной температуры точки росы. При этом дымовые газы, которые непосредственно соприкасаются с поверхностями труб, охлаждаются, водяной пар в них конденсируется и, поглощая из газов сернистый ангидрид, образует агрессивную сернистую кислоту.

Окалинообразование является следствием окисления металла труб, начинающегося с их наружных поверхностей.

157

Под прогарами печных труб принято понимать разрывы их на некоторыхучастках.Всякомупрогарупредшествуетобразованиенатрубе отдулин — местных увеличений диаметра вследствие ползучести металла при высоких температурах и давлениях внутри трубы.

Причины износа труб различны и зависят от гидравлической и теплотехническойхарактеристикрежимаэксплуатацииитехнологических особенностейпроцесса,учитывающихкачествосырья.Величинаизноса при этом зависит от качества изготовления и металла труб.

Свойства печных труб должны соответствовать всем эксплуатационным требованиям. Завод-изготовитель снабжает каждую партию труб сертификатом, в котором содержатся необходимые данные для оценки качества металла. Наружная и внутренняя поверхности труб должны быть гладкими, без повреждений. Глубина рисок на поверхностях труб не должна превышать 1 мм, а по концам — 0,5 мм.

Отклонения от нормальных размеров труб должны быть в пределах, допускаемых: по наружному диаметру от 0,5 до 2,25%; по толщине стенки ±12,5%.

В настоящее время применяют печные трубы диаметром57…219 мм, длиной до 18м, толщиной стенки до 15 мм. Диаметр труб определяется по допустимой скорости сырья на входе в печь.

На установках AT, ABT, ВТ, где тепловой режим эксплуатации печей стабильный и температура нагрева сырья сравнительно невысока, с учетом коррозионных свойств нефти применяют печные трубы из углеродистых сталей Сталь 10 и Сталь 20, либо из низколегированных сталей марок 15Х5М и 15Х5ВФ. Эти трубы обладают достаточной теплоустойчивостью и не подвергаются интенсивной коррозии. Однако на установкахтермическогоикаталитическогокрекингаидругихустановках, где протекают процессы, характеризующиеся более высокими температурами нагрева и наличием коррозионных агентов, срок службы печных труб из низколегированных сталей мал (1…3 года). Особенно быстро выходят из строя участки трубчатого змеевика радиантной секции, где откладываются кокс и различные осадки, а также образуется большое количество сероводорода. Для таких печей ВНИИнефтемашем рекомендованы стали 12Х8ВФ и Х9М. По теплоустойчивости при температурах 550 и 600°С сталь 12Х8ВФ не уступает известным маркам сталей 15Х5М и 15Х5ВФ, а по коррозионной стойкости в горячих сероводородных средах превосходит их в 2…3 раза.

Для процессов риформинга, гидроочистки и подобных им высокотемпературных процессов, в которых сырье нагревается до 600°С, применяют печные трубы из сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т либо

158

безникелевую сталь 1Х12В2МФ. Последняя обладает более высокими прочностными свойствами, достаточной пластичностью и ударной вязкостью.

Использованиепечныхтрубизстали1Х12В2МФвместотрубизстали15Х5Мпозволяетувеличитьсрокслужбызмеевиковисократитьпростой печей при ремонтах. Трубы из сталей 15Х5М, 15Х5ВФ и 12Х8ВФ поставляются в отожженном состоянии (конец трубы имеет твердость невышеНВ170дляразвальцовкиеевретурбендеприсборкезмеевика).

Если эти трубы подвергнуть термообработке — улучшению (стали 15Х5МУ, 15Х5ВФУ, 12Х8ВФУ), то прочность металла повышается на 20…30% и возрастает срок их службы.

Исследованиями ВНИИнефтемаша показано, что для установок каталитического риформинга целесообразно применять печные трубы из стали 12Х18Н10ТС, которая отличается от стали 12Х18Н10Т несколько повышенным минимальным соотношением титана и углерода в состоянии стабилизирующего отжига. Сталь 12Х18Н10ТС менее склонна к межкристаллитной коррозии при высоких температурах процессов каталитического риформинга и гидроочистки. Для конвекционной секции печей этих установок используются печные трубы из стали 12Х8ВФ.

Перспективна в качестве материала для печных труб сталь Х9М. Наличие в ней 9% хрома и до 1% молибдена обеспечивает высокую жаропрочность, которая на 20…25% выше, чем стали 15Х5М, при равной пластичности.

Для радиантных секций печи на установках гидрогенизационного обессеривания дизельного топлива наиболее стойкими против общей коррозии являются трубы из стали 12Х18Н10Т. При необходимости экономии никельсодержащих сталей можно использовать трубы из сталей 12Х8ВФ, Х9М и 1Х12В2МФ. Следует иметь в виду, что применение этих сталей может неблагоприятно сказаться на производительности и эффективности работы установки, так как были случаи выноса продуктов коррозии металла труб из змеевика на катализатор, что снижало его активность. Практика подтвердила, что змеевики из стали 15Х5М работают на установках гидрогенизационного обессеривания свыше шести лет, при этом скорость коррозии достигает 0,8 мм/год. Однакопритакойскоростикоррозииобразуетсязначительноеколичество продуктов, снижающих активность катализатора и требуется более частая его регенерация. Целесообразность применения более дорогой стали 12Х18Н10Т или более дешевых сталей (12Х8ВФ и Х9М) можно определить технико-экономическим анализом.

159

Алитирование хромистых сталей позволяет значительно расширить область их применения при повышенных температурах в агрессивных средах, содержащих сероводород. Коррозионная стойкость алитированных 3%-х хромистых сталей в чистом сероводороде при 500… 550°С выше коррозионной стойкости стали 12Х18Н10Т. Для изготовления трубчатых змеевиков печей, а также для коммуникационных трубопроводов и пучков трубчатых теплообменников в США и некоторых других странах на установках гидроочистки нефтепродуктов используют в промышленном или опытном масштабе алитированные трубы из стали 15Х5М взамен труб из дорогой стали типа 18-8. Опыт подтверждает целесообразность такой замены материала.

Наиболее уязвимы для коррозионного разрушения в этих условиях сварные швы. Поэтому при конструировании печных змеевиков стремятся к уменьшению числа сварных соединений, выполняемых после алитирования. Основную сварку змеевиков обычно проводят до алитирования, а монтажные швы выполняют аустенитными электродами из стали типа 18-8.

ДЕФЕКТЫТРУБЧАТЫХЗМЕЕВИКОВ ПЕЧЕЙНЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХУСТАНОВОК

В практике эксплуатации печей нефтеперерабатывающих заводов встречаются следующие дефекты трубчатых змеевиков:

—износ труб (особенно на концах) по внутренней поверхности;

—хрупкое разрушение труб;

—местные деформации труб с образованием отдулин вследствие локальных перегревов;

—наружное обгорание труб (высокотемпературная коррозия);

—образование сквозных свищей и прогаров в трубах;

—наружная коррозия труб змеевика и дымовых труб печи продуктами сгорания топлива (низкотемпературная коррозия).

Износ печных труб по внутренней поверхности наиболее часто возникаетвзмеевикахпечейустановокAT,ABT,ВТ(первичнаяпереработка нефти), а также установок термокрекинга, гидроочистки, риформингаидругих установок(вторичная переработка углеводородногосырья). По заводским данным, количество замененных печных труб вследствие износа внутренней поверхности составляет около 25…40% от общего числа замененных труб в течение года.

Интенсивность износа внутренней поверхности трубчатого змеевика в основном зависит от агрессивности перерабатываемого сырья.

160