加热炉炉管防烧损技术研究

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摘要:本文对油田最常见的加热炉炉管结垢问题进行了探讨和研究，着重对各种因素对结垢影响的程度和规律进行了深入研究，对结垢机理有了更深入的认识。同时，分析了现场垢样的组成成份，提出：硬垢形成是一个化学过程，软垢形成是一个物理过程，硬垢的生成加速了软垢的生成，软垢的积累又加巨了硬垢危害，并对预防炉管烧损做了一定的探讨。

关键词:机理；浓度；结垢；防烧损技术

0引言

加热炉是稠油集输系统中的主要设备，在油、气生产和集输过程中被广泛的应用，在油田生产中发挥着巨大的作用。但由于加热炉使用时间较长，结构独特，运行环境恶劣，并且近几年聚合物投用量的不断增加，致使加热炉火管烧损、堵塞事故不断发生，给油田造成了大量资金浪费，制约了正常生产，同时加热炉事故也给安全生产和人身安全造成重大威胁。

1 结垢机理及加热炉炉管烧损原因分析

1.1 结垢机理研究

结垢机理比较复杂，在这里主要讨论各离子类型、含量、pH值、温度对硫酸钙垢、碳酸钙垢、硫酸钡垢、硫酸锶垢的影响规律。

1.1.1 [Ca2+]浓度

假定[HCO3-]=1500mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、pH=7、I=0.01时，讨论Ca2+离子浓度发生变化时对碳酸钙结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.2 [HCO3-]浓度

假定[Ca2+]=700mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、pH=7、I=0.01时，讨论HCO3-离子浓度发生变化时对碳酸钙结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.3 硫酸根离子浓度

假定[Ca2+]=700mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、I=0.01时，讨论硫酸根离子浓度发生变化时对硫酸钙结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.4 钡离子浓度

假定[SO42-]=50mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、I=0.01时，讨论钡离子浓度发生变化时对硫酸钡结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.5 锶离子浓度

假定[SO42-]=50mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、I=0.01时，讨论锶离子浓度发生变化时对硫酸锶结垢趋势强度IS的影响规律。如图5所示。

1.1.6 硫酸根离子浓度

假定[Ca2+]=700mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、I=0.01时，讨论硫酸根离子浓度发生变化时对硫酸钡、硫酸锶结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.7 压力P

假定[Ca2+]=700mg/L、[HCO3-]=1500mg/L、T=80℃、pH=7、I=0.01时，讨论压力发生变化时对碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.8 温度T

假定[Ca2+]=700mg/L、[HCO3-]=1500mg/L、P=1.2MPa、pH=7、I=0.01时，讨论温度T发生变化时对碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.9 pH值

假定[Ca2+]=700mg/L、[HCO3-]=1500mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、I=0.01时，讨论pH值发生变化时对碳酸钙结垢趋势强度IS的影响规律。

1.1.10 离子强度I

假定[Ca2+]=700mg/L、[HCO3-]=1500mg/L、P=1.2MPa、T=80℃、pH=7时，讨论离子强度I发生变化时对碳酸钙结垢趋势强度IS的影响规律。

1.2加热炉炉管烧损原因分析

1.2.1 结垢导致炉管局部过热

加热炉介质是从地下采上来的未经任何处理的含油污水（掺水加热炉大部分也是接转站自然沉降的污水），其中含有泥沙和一些矿物质，加热过程中在火管壁上沉积大量的垢和泥沙等悬浮物，致使管壁的传热率下降。

1.2.2 加热炉结构

加热炉炉管都采用直管“U”形连接结构，弯管部分介质流动性差，局部温度升高，加快了结垢速度，形成恶性循环，炉管出现超温现象。

1.2.3 垢样成份分析

对采集的加热炉的垢样进行分析，发现加热炉中沉积的垢可分为两部分：一部分为常见的水垢（碳酸盐垢），另一部分为泥沙、粘土和有机物混合在一起的沉积物，即为软垢。硬垢、软垢成份分析结果见表1。

从表1中可以看出，硬垢样中大部分是有机物及挥发组分以及酸不溶物，作为硬垢碳酸盐或硫酸盐不足50%。软垢中绝大部分为原油中的重组分等挥发性物质，硬垢和酸不溶物只占少数。

1.2.4 加热炉进出口液成分分析

对孤东四区、九区、KD521块，K92块加热炉水质进行分析，结果表明水样中存在较多的HCO3-和SO42-，只要有足够多的阳离子，就可以产生沉淀，而且也会造成腐蚀。

硬垢形成是一个化学过程，软垢形成是一个物理过程，硬垢的生成加速了软垢的生成，软垢的积累又加巨了硬垢危害，二者相辅相成的，其中硬垢的危害和影响的主要的。

2 加热炉炉管阻垢及防烧损技术探讨

2.1 有机氟树脂涂层的应用

有机氟树脂涂层的防垢机理是以氟树脂为主要原料，添加其它金属、非金属氧化物和陶瓷粉末制成。在防垢阻垢方面，主要利用氟树脂惰性和金属、非金属氧化物具有搞结垢性能，合原油介质中的垢物质不易粘附在涂层表面，从面起到防垢阻垢的作用。

2.2 静电水处理技术的应用

由于水中的氢原子与氧原子位置不对称，而具有极性。在静电场的作用下，水分子将定向地按正极、负极呈链状整齐排列。当水中含有溶解盐的离子时，这些阳离子和阴离子将分别被水偶极子包围，也将按正负顺序整齐地排列在水偶极子群中，使之不能自由运动，抑制了钙、镁离子形成的盐垢析出，达到防垢的作用。经过静电处理，水中将释放少量氧，在无垢系统器壁上形成微氧化膜，防止器壁腐蚀。对结垢系统，释放的氧破坏垢分子之间的电子合力，改变其晶体结构，使坚硬的垢变疏松，在静电场作用下，水偶极子的偶极距增大，增强了与盐类离子水合能力，从而提高了水垢的溶解速率，使垢逐渐剥蚀，乃至成碎片脱落，起到了除垢的作用。

2.3 经济效益评价

由于加热炉结垢导致加热介质吸收热量的能力大大降低，剩余热量通过烟气散发到大气中，使加热炉的热效率降低，造成了能源的大量浪费。为保证加热介质的出口温度，必须加大燃气量，减小介质流量，增加加热时间来提高介质温度，从而造成加热炉炉管结垢的恶性循环，即炉管管壁温度越高结垢越严重，加热炉炉管就越易烧损，同时燃料浪费就越多。根据现场统计，结1.0mm的垢，燃料浪费8%。

3 几点认识

1)采用静电水处理装置，可解决油田加热炉炉管结垢引起的加热炉烧损问题，同时使一些原来炉管上的硬垢变得松软和部分脱落，起到了除垢作用。

2)氟树脂防垢涂层材料的主要机理是增加炉管内壁的光滑度，使介质中的结垢物质不易在管壁上粘附，从而达到阻垢的目的，在现场可采用其它工艺，增加炉管内壁的光滑度，最大限度减慢结垢的速度，达到阻垢的作用。

3)加热炉炉管结垢是油田生产中的安全隐患，通过阻垢、除垢，不但可以节约大量的材料和维护费用，同时加热炉安全运行系数大大提高，对油田安全生产具有重要的意义。

参考文献：

［1］ 张 锐 等编著.稠油热采技术.石油工业出版社.1999

［2］ 任 英，张 弘 编.传热学.石油大学出版社.1988

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