油田注汽湿蒸汽发生器爆管原因分析

摘要：蒸汽吞吐是目前普遍采取的提高稠油开发效果的成熟技术，其主要设备是湿蒸汽发生器。对油田注汽用湿蒸汽发生器（也称注汽锅炉）破损的炉管进行了宏观检查、化学成分分析和金相分析，并分析了水垢形成原因，探讨了湿蒸汽发生器炉管在工作条件下的结垢及腐蚀机理。检测分析结果表明，锅炉在短时间内处于强过热状态是造成锅炉炉管损坏的直接原因，结垢及水质的影响是发生爆管的原因之一。

    湿蒸汽发生器是油田稠油热采中的关键设备，随着油田稠油热采规模的不断扩大，油田湿蒸汽发生器的数量也在迅猛增加。中石化胜利油田孤东采油厂2003年后注汽锅炉爆管频率增加，造成8根炉管鼓包、爆管等安全事故隐患，造成了较大的经济损失。锅炉爆管一般发生在锅炉出口管线的末5根炉管，爆管位置一般在距瓦口2.5－4.5m的主火焰区。多数炉管都有结垢现象（厚度约1mm），水垢一般为青灰色、白色的致密坚固的固体。炉管壁厚没有明显减薄，弯头腐蚀严重，坑洼明显，最薄处也达到4mm，但弯头处未发生爆裂事故。为查找爆管事故原因，对2005年发生爆管的2台锅炉炉管进行了全面的检测和分析。

    1 水垢形成原因分析

    从水垢的形成过程分析，炉管内发生蒸汽过热，大量结垢发生的位置应该与发生蒸汽过热点的位置一致。炉管内的水在湿蒸汽发生器内是一个逐渐被加热的过程，所以湿蒸汽发生器内蒸汽的过热一定发生在炉管的末端。而过热点的位置与过热度有关，若过热度较低，蒸汽过热点可能发生在最后一根炉管上；若过热度增高，则蒸汽过热点将前移。在蒸汽过热之前，热污水的杂质溶解在湿蒸汽中的饱和水中，不会发生大量的结垢现象，一旦发生过热，蒸汽相不可能携带杂质，水相杂质必然大量沉积在过热点附近。

    从水垢的成分上分析，多数的垢成分主要由构成，在高温下容易与其他物质结合，形成难以溶解且非常坚硬的物质。在高温、高压下，在有铁、铝、钙、镁等金属离子存在时更易结垢，即使微量的金属离子也会在炉管上形成不易溶解且极其坚硬的复合硅酸盐垢，如：钠辉石、方沸石、针钠钙石等，这种垢是在长时间的运行中由间断的过热形成的，沉积后附着在管壁上。

    2 结垢对锅炉的危害

    假设锅炉出口蒸汽压力为14MPa，其对应温度为337℃，根据锅炉手册以及有关的传热手册，此时炉管外壁温度TWB1=337+23.94=360.94℃，低于材料允许的使用温度；当炉管结垢≥1mm时，外管壁温度TWB2=337+263.93=600.93℃，较未结垢时的管壁温度高出240℃，局部温度远远超出炉管能承受的温度。此时的锅炉压力远远超出了管材的许用应力，不可避免地将发生爆管事故。

    水垢与金属炉管导热系数差异极大，即使少量结垢也将导致炉管外壁温度急剧升高，造成炉管高温疲劳，进而导致爆管。发生爆管的炉管壁厚减薄不明显，而弯头处尽管腐蚀减薄比较严重（最薄处仅为4mm），但未发生爆裂，因此腐蚀减薄不是导致爆管的原因。

    3 锅炉水质分析

    对污水进行检测可以看到污水中氯离子超标严重，及其他盐类含量也较高。

    在没有氧气的情况下，铁同高温水反应最终生成，并在金属表面形成致密的保护膜。但是给水中含有的大量氯离子，由于其半径小，穿透力强，通过吸附到氧化物表面而产生孔隙，降低氧化物一溶液的界面能，使溶液润湿氧化物晶界，并阻止晶间的充分连结，破坏金属表面的保护膜，到达氧化膜／合金界面，形成腐蚀源。而生成的氯化物具有明显的挥发性，继而转化为气体向外扩散。氯化物气体向外扩散加速了金属向外扩散，从而加快了金属的腐蚀。此外污水含有大量盐类物质，在炉管中受热蒸发浓缩，盐类易结晶，进一步加大了锅炉结垢过热的几率。

    4 结束语

    （1）油田湿蒸汽发生器的注汽压力与地层压力以及注入井井下管柱状况密切相关，地层压力的波动直接影响锅炉注汽压力的变化，一旦注汽压力降低，将致湿蒸汽中水相大量向蒸汽相转化，使得湿蒸汽干度急剧增加，水相中盐类浓度大量增加并析出附积在炉管内壁造成结垢，结垢会急剧增加炉管外壁温度而产生过热，直接导致锅炉爆管。

    （2）锅炉给水中氯离子含量较高，会加速炉管在工作环境中的腐蚀速度，降低炉管的强度，为爆管提供了辅助条件，但这不是爆管的直接原因。

    （3）应加强锅炉管壁厚度的监测力度，及时发现结垢和炉管腐蚀等问题，同时积极研究锅炉动态报警技术，有效预防过热问题的出现，此外还应按照标准严格控制锅炉给水中的氯离子含量。