化工装置陶瓷纤维炉衬损坏脱落原因分析及修补措施

　　作为一种轻质的耐火材料20世纪60年代起，陶瓷纤维开始应用于工业炉窑的衬里。我国于70年代开始研制陶瓷纤维，到90年代该技术得到迅猛发展，并被广泛应用在耐火、保温节能工程中。

　　同传统的耐火材料，如耐火砖、耐火浇注料相比，陶瓷纤维制品具有一定的优点。耐火砖、耐火浇注料自身大、蓄热大、施工完后需要烘炉，耗时长。而陶瓷纤维密度小、重量轻、导热系数小、热容量低、抗热震性强、施工简便、无需烘炉，可适应炉窑快速升温与冷却，广泛应用于冶金、石油、化工、机械、电子、建筑、轻工等行业。石油化工行业中应用最多的就是作为加热炉炉衬。

　　01陶瓷纤维炉衬的主要结构

　　目前陶瓷纤维应用在炼油化工装置加热炉中的炉衬结构主要是陶瓷纤维模块(简称陶纤模块)和陶瓷纤维背衬组成的复合结构。该复合炉衬结构的形成过程是：

　　首先，对炉壁钢板进行清理除锈;

　　然后，对炉壁钢板进行防腐处理;

　　第三，按照设计要求进行放线，确定锚固钉的位置;第四，按照放线位置焊接锚间钉;

　　第五，铺贴陶瓷纤维毯作为背衬;

　　第六，安装陶瓷纤维模块，将陶瓷纤维模块的中心孔对准焊接好的锚固钉，用专用套筒扳手沿着陶纤模块的中心孔套管深入模块内将螺帽拧紧在锚固钉上，待所有陶纤模块安装完后，剪去模块包装捆扎带，抽出模块侧面的保护板;最后，拍平模块表面成型。

　　陶瓷纤维模块和陶瓷纤维背衬组成的复合炉衬结构形式有2种，分別是拼花式和兵排式。

　　拼花式是相邻的陶瓷纤维模块沿折叠压缩方向成90°交错排列安装。全部安装完剪开捆扎带后，陶瓷纤维模块间通过沿不同方向膨胀回弹来填充间隙，最终成型。由于陶瓷纤维模块生产尺寸误差以及边角存在膨胀不均的现象，导致模块间的角点容易形成缝隙而成为不易处理的死点。因此，拼花式结构应用相对较少。

　　兵排式是陶瓷纤维模块按照折叠压缩方向顺次排列安装，在非折叠压缩方向的两排模块间间隙用经折叠压缩的陶瓷纤维毯进行填充.以补偿收缩。其结构如图3所示。目前该结构形式使用最多。

　　02陶瓷纤维炉衬损坏脱落原因

　　炼油化工装置加热炉炉衬常用的高铝陶瓷纤维和含锆陶瓷纤维均属于玻璃态陶瓷纤维，在民期的高温作用下会发生收缩。这是陶瓷纤维材料本身性质所决定的。在微观上是由于玻璃态陶瓷纤维在髙温下发生析晶(晶化)和晶粒长大造成的。玻璃是熔体过冷(急速冷却)形成的。它的这种状态不是最低的能量状态。它具有较晶体高的内能，是一种介稳态。

　　从热力学上看，它有自发地向低能态转化的趋势，原子能自动重新排列，即有析晶的倾向，向晶体态转化。

　　从动力学上看，由于常温下玻璃态物质粘度大，内部原子的扩散和重新排列速度小，由玻璃态转变为晶态的速度非常之慢，使它在常温下具有很大的相对稳定性，又是一种稳定态。

　　玻璃态陶瓷纤维具有近程有序、远程无序的特点。随着温度的升高，纤维的粘度降低，原子运动加剧，原子扩散和规则化排列速度增大，远程无序会向有序化排列转变，即析晶。有序规则排间缩小，从而导致单根陶瓷纤维杆体积收缩。而长时间的高温作用下，形成的品粒会长大，陶瓷纤维杆表面就出现凸不平，即缩径。持续不断的缩径将导致陶瓷纤维的长度缩短，从而产生整体收缩。宏观收缩发生后，陶瓷纤维炉衬在长时间的火焰气氛作用下，会开裂出现缝隙。缝隙出现后，火焰和气流就趁机窜入缝隙，使缝隙处两边的陶瓷纤维直接与火焰和气流接触成为工作而。随着时间的延长，接触面的陶瓷纤维进步垂直于接触面向只收缩扩展，造成缝隙越来越大。这样，窜入的火焰气流会越来越多，见缝就进，不断向四周扩散发展。与锚固钉接触后，锚固钉在长时间的高温气流作用下便发生氧化、腐蚀，最终发生断裂，从而引发陶瓷纤维模块脱落。同时陶瓷纤维背衬也发生收缩粉化.进而断裂脱落，最终导致整个陶瓷纤维炉衬损坏脱落。

　　03加快陶瓷纤维炉衬损坏脱落的因素及其应对方法1)材料因素

　　陶瓷纤维模块材料达不到设计要求的预压缩比、生产包装压缩量不够、生产尺寸误差较大，导致陶瓷纤维模块安装后，通过膨胀回弹产生的相互挤压不够紧。炉衬运行中，在高温作用下，这会使陶瓷纤维炉衬收缩产生缝隙的时间提前，从而导致炉衬快速损坏脱落，影响炉衬的使用寿命。因此在施工前要对材料进行严格验收、确保材料质量、尺寸符合要求。

　　2)施工因素

　　一是锚固钉焊接不牢固，运行不久即发生脱落，导致陶瓷纤维模块也随之脱落。

　　二是放线不准确，锚固钉焊接位置不准、偏差大，造成有的锚固钉间距过大，有的锚固钉间距过小，使安装后的陶瓷纤维模块间膨胀回弹不均。间距小的模块间挤压密实，间距大的模块间挤压松散。炉衬运行中，松散的陶瓷纤维模块在髙温作用下因收缩先产生缝隙，从而提前导致陶瓷纤维炉衬损坏脱落。

　　三是施工中，为了省时省力，陶瓷纤维模块间的补偿毯未进行对折压缩或压单层，压缩不紧，达不到设计规定的压缩比，使得回弹量不足，起不到补偿收缩的作用。这会导致炉衬运行中，陶瓷纤维模块间补偿毯因收缩快速产生缝隙，进而导致陶瓷纤维炉衬损坏脱落。

　　四是陶瓷纤维补偿毯采取直接对接的安装方式，未进行处理。这会导致对接点处因收缩先产生缝隙，从而导致陶瓷纤维炉衬损坏脱落。

　　施工因素导致的陶瓷纤维炉衬提早损坏脱落的应对方法为：

　　a)锚固焊接完后，逐个进行锤击检查，确保锚固钉满焊牢固。

　　b)放线按照设计尺寸画准确。将锚固钉焊在横竖线的十字交叉处，确保其焊接位置准确，间距合适。如果有的锚固钉的间距还是有些过大，则在陶瓷^^安装完成后，目视检査模块间的间隙是否均匀。对于间隙偏大的.剪开模块捆扎带前，先在间隙处填塞一层陶瓷纤维毯再剪捆扎带抽保护板。

　　c)  施工中，陶瓷纤维补偿毯严格进行对折压缩或压双层。炉壁炉衬施工要从下向上进行。炉顶炉衬施工从一个方向往另一个方向进行。这样，施工下排模块时，可将陶瓷纤维补偿毯向一个方向使劲挤压密实，保证补偿毯压缩比。

　　d)陶瓷纤维补偿毯的对接由直接通缝对接改为阶梯形对接，或者对接处进行一定的压缩对接。避免因高温收缩快速出现缝隙，导致火焰气流进入损坏炉衬。

　　3)人为因素

　　一是陶瓷纤维炉衬的安装、修补一般需要搭拆脚手架。作业人员若只顾自己作业、不注意保护炉衬，就会使架杆碰到或插入到陶瓷纤维炉衬中，损坏炉衬。

　　二是在日常炉管的安装检修过程中，作业人员不注意保护陶瓷纤维炉衬，使陶瓷纤维炉衬损坏脱落。

　　因此，在进出炉内或进行其他作业时，应要求作业人员认真做好对炉衬的保护，尽量避免破坏陶瓷纤维炉衬。

　　04陶瓷纤维炉衬的修补

　　陶瓷纤维炉衬丙长时间的高温作用出现收缩缝或者损坏脱落都要及时进行修补处理，以延长整体炉衬的使用寿命，保障生产的安全运行。

　　1)收缩缝的修补

　　陶瓷纤维炉衬出现5mm以上宽的缝隙1:1就要进行修补。修补采用同等级的陶瓷纤维毯进行填塞。填塞陶瓷纤维毯要尽可能往缝隙里面塞，直到挤不动为止.确保缝隙填塞、挤压密实，不能只塞表面，否则运行不久又会脱落。

　　2)陶瓷纤维模块脱落的修补

　　a)标准型陶瓷纤维模块脱落的修补

　　标准型陶瓷纤维模块损坏脱落以后，采用同样尺寸大小的陶瓷纤维模块进行修补。在原锚固钉位置处重新焊接锚固钉，铺贴陶瓷纤维毯背衬，并安装陶瓷纤维模块。在非折叠压缩方向的两排模块间压缩陶瓷纤维毯，以补偿收缩。对于更换模块区与四周未更换模块间的较大间隙，用陶瓷纤维毯填充。

　　b)异型陶瓷纤维模块脱落的修补

　　异型陶瓷纤维模块(如拐角模块、弧形模块等)损坏脱落以后，采用层铺陶瓷纤维毯的方式进行修补。即焊接长形锚固钉，然后一层一层铺贴陶瓷纤维毯，其铺贴的厚度与原炉衬一致，最后在面层用陶瓷杯进行固定。之所以改用层铺陶瓷纤维毯的方式进行修补，一方面是因为异型陶瓷纤维模块损坏脱落后一般没有相应的异型模块备料.另一方面是因为其损坏脱落后，未脱落的异型模块经长时间的高温作用，也发生了收缩、失弹，如果按原结构使用相同的异型模块进行修补，会导致其与更换的异型模块接触处挤压不够密实，又成为隐患点。高温运行后，快速收缩出现缝隙，又会导致炉衬损坏脱落。而采用层铺陶瓷纤维毯结构，可将陶瓷纤维毯裁剪得比损坏脱落的区域大，这样，在与未脱落的异型模块接触处可留出压缩量进行压缩铺贴，即解决了上述问题。某石化厂裂解炉炉顶拐角模块和苯乙烯装置蒸汽过热炉吊装孔拐角模块脱落后，就是采用层铺结构进行了修补。修补后，运行效果良好。

　　结语

　　1)陶瓷纤维炉衬在高温作用下会发生收缩。这是由其本身性质所决定的，是在高温下发生析晶和晶粒长大造成的。高温收缩导致炉衬出现开裂，形成缝隙，最终在长时间的高温火焰气流作用下损毁脱落。

　　2)陶瓷纤维材料本身的尺寸、质量误差、施工的质量缺陷和人为因素均能加速其损坏脱落，影响其使用寿命。因此,在安装、检维修施工中要引起重视。

　　3)陶瓷纤维炉衬损坏脱落后，能按原结构进行修补的应按原结构进行修补，对于没有原型号材料的，可采用层铺陶瓷纤维毯结构进行修补。