球化1Cr5Mo加熱爐爐管的剩余壽命評(píng)價(jià)研究

韓志遠(yuǎn) 王 莉 王鑫晟 曹邏煒 劉 文 謝國(guó)山 杜晨陽(yáng) 邢 健

（1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

（2.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局特種設(shè)備安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100029）

（3.江蘇斯?fàn)柊钍邢薰?江蘇 215228)

1 概述

加熱爐是石化企業(yè)成套裝置常見(jiàn)的工藝設(shè)備，加熱爐爐管直接受火焰加熱，且承受一定壓力，易出現(xiàn)高溫材質(zhì)劣化及蠕變等損傷，其損傷機(jī)理與高溫承壓特種設(shè)備類似，而出現(xiàn)材質(zhì)劣化后的爐管是否能夠繼續(xù)安全使用也是企業(yè)及裝置中極為關(guān)心的問(wèn)題。某石化企業(yè)二甲苯裝置異構(gòu)加熱爐投用至今已使用30多年。該爐對(duì)流段主要用來(lái)預(yù)熱抽余液塔底物料，輻射段主要用于加熱異構(gòu)反應(yīng)器進(jìn)料包括間二甲苯、乙苯、氫氣等。2012年對(duì)該輻射段爐管進(jìn)行了更換，2018年金相檢測(cè)也發(fā)現(xiàn)新更換的輻射段爐管存在4-5級(jí)球化。本文通過(guò)金相檢測(cè)、壁厚檢測(cè)、有限元應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核、蠕變斷裂校核評(píng)估等研究工作，評(píng)價(jià)球化爐管的安全性及剩余壽命，為爐管繼續(xù)安全運(yùn)行提供依據(jù)，也為存在球化等材質(zhì)劣化問(wèn)題的蒸汽管道等其他承壓類特種設(shè)備的壽命評(píng)價(jià)提供方法支持。

該輻射段爐管材料為1Cr5Mo，運(yùn)行介質(zhì)為間二甲苯、乙苯、氫氣，設(shè)計(jì)最高溫度443℃，設(shè)計(jì)最高壓力2.47MPa，直徑219mm，名義壁厚10mm。但爐管實(shí)際服役過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)超溫現(xiàn)象，管壁溫度的現(xiàn)場(chǎng)紅外檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。對(duì)于輻射段爐管，從圖1中可以看到，各個(gè)位置的溫度相差較大，爐管下部接近噴火嘴部位局部溫度較高。按保守處理，取測(cè)量最高溫度為管壁溫度進(jìn)行計(jì)算，為550℃。

圖1 爐管壁溫紅外檢測(cè)結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

爐管現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)表面存在一定銹蝕，見(jiàn)圖2。經(jīng)測(cè)量，輻射段S含量均小于5ppm，其主要腐蝕機(jī)理為高溫H2S/H2腐蝕以及高溫氧化腐蝕。由于無(wú)法未測(cè)量各爐管的初始實(shí)際壁厚，若采用名義壁厚計(jì)算腐蝕速率可能存在不保守情況，因此實(shí)測(cè)腐蝕速率保守地采用直管段及彎頭實(shí)測(cè)最大厚度減實(shí)測(cè)最小厚度除以使用時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算輻射段直管段實(shí)測(cè)最大壁厚10.4mm，最小壁厚9.2mm，因此計(jì)算得到的腐蝕速率為0.2mm/年。另外，考慮以往運(yùn)行超溫可能達(dá)到550℃，且未來(lái)運(yùn)行無(wú)有效措施保證不超溫而出現(xiàn)氧化腐蝕，輻射段高溫氧化速率保守定為0.03mm/年。

圖2 爐管表面銹蝕

另外，現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)爐管直管母材、彎頭母材金相檢測(cè)位置均有珠光體球化現(xiàn)象，見(jiàn)圖3，球化級(jí)別參照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到4-5 級(jí)[1]，部分爐管打磨1.0mm 后仍有珠光體球化現(xiàn)象，球化等級(jí)為4級(jí)。由于球化會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管強(qiáng)度降低，因此對(duì)爐管進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，以分析爐管抗拉強(qiáng)度降低水平，實(shí)測(cè)最低硬度值為105HB。

圖3 爐管現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)結(jié)果

3 強(qiáng)度校核及壽命評(píng)估

由以上現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果可知，爐管在運(yùn)行過(guò)程中存在超溫歷史，并且發(fā)生了嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。球化一般會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度以及抗蠕變性能的降低，因此會(huì)對(duì)爐管的靜強(qiáng)度失效以及蠕變斷裂失效產(chǎn)生影響。本文就分別針對(duì)這兩種失效模式，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)爐管進(jìn)行強(qiáng)度校核及壽命評(píng)估。

在失效載荷方面，本文按保守處理，將輻射段爐管計(jì)算壓力按設(shè)計(jì)壓力2.47MPa，金屬最高壁溫按設(shè)計(jì)溫度443℃及超溫溫度550℃。按每年使用8760h計(jì)算，爐管已使用52560h。同時(shí)采用有限元方法，計(jì)算爐管在當(dāng)前超溫情況下的應(yīng)力水平。

在失效抗力方面，由于SH 3037—2002《煉油廠加熱爐爐管壁厚計(jì)算》中彈性設(shè)計(jì)使用的許用應(yīng)力以及蠕變——斷裂設(shè)計(jì)使用的拉森——米勒爾曲線僅適用于不存在材質(zhì)劣化的原始材料[2]，而該輻射段爐管已存在4-5級(jí)球化的材質(zhì)劣化現(xiàn)象，因此采用替代方法保守估計(jì)存在材質(zhì)劣化材料的許用應(yīng)力及拉森-米勒爾曲線。其中4-5級(jí)球化1Cr5Mo材料的許用應(yīng)力根據(jù)硬度檢測(cè)結(jié)果及GB/T 35018—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》中的方法進(jìn)行折算[3]，4-5級(jí)球化1Cr5Mo材料的拉森——米勒爾曲線采用文獻(xiàn)值進(jìn)行替代。

3.1 應(yīng)力分析

加熱爐管采用有限元軟件進(jìn)行模擬應(yīng)力分析，為保證管系應(yīng)力分析準(zhǔn)確性建立爐管全三維模型，同時(shí)為簡(jiǎn)化建模及計(jì)算量，采用管單元建模計(jì)算。

1）實(shí)體建模。

爐管結(jié)構(gòu)尺寸及材料參考設(shè)計(jì)資料，其中當(dāng)前管壁厚度采用實(shí)測(cè)值代替，未來(lái)管壁厚度采用預(yù)測(cè)值代替。

材料選用理想線彈性模型，材料性能數(shù)據(jù)選自SH 3037—2002[2]，使用高階管單元PIPE288及EBLOW290進(jìn)行應(yīng)力分析，其中直管部分采用PIPE289單元，彎管部分采用EBLOW290單元。采用六面體網(wǎng)格劃分，最終模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為701，單元數(shù)為350。根據(jù)實(shí)際約束位置，對(duì)爐管進(jìn)出口位置施加X(jué)向及Z向位移約束，對(duì)爐管底部彎頭中心節(jié)點(diǎn)施加全位移約束，對(duì)爐管頂部彎頭中心節(jié)點(diǎn)施加X(jué)向或Z向約束。按照設(shè)計(jì)工況，對(duì)爐管施加2.47MPa內(nèi)壓，施加443℃及550℃溫度載荷。施加重力載荷，重力加速度9.8m/s2。

有限元模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 加熱爐管有限元網(wǎng)格劃分

2）應(yīng)力分析結(jié)果。

在當(dāng)前管壁厚度下的有限元應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，輻射段爐管應(yīng)力強(qiáng)度26.7～32.40MPa，且受溫度影響不大，其中爐管最大應(yīng)力強(qiáng)度略高于理論計(jì)算值28.16MPa，如圖6所示，高應(yīng)力部位主要位于彎頭位置，而直管段與理論值基本一致，說(shuō)明管系變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的輻射段轉(zhuǎn)化爐管熱應(yīng)力較低，管系限位及支撐等布置較為合理。對(duì)于未來(lái)管壁厚度發(fā)生進(jìn)一步減薄的情況，根據(jù)腐蝕速率估算未來(lái)管壁厚度，并根據(jù)以上方法計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度，分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 爐管應(yīng)力強(qiáng)度云圖分析結(jié)果（當(dāng)前管壁厚度）

圖6 爐管應(yīng)力理論計(jì)算值與有限元計(jì)算最大值隨時(shí)間變化情況

3.2 彈性設(shè)計(jì)校核及剩余壽命計(jì)算

爐管靜強(qiáng)度壽命評(píng)價(jià)主要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3037-2002進(jìn)行彈性設(shè)計(jì)校核[2]，分析爐管應(yīng)力是否滿足許用用力要求。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，1Cr5Mo材料在443℃下的彈性許用應(yīng)力為105MPa，如果超溫到550℃則彈性許用應(yīng)力為85MPa。由于爐管受火受熱后已發(fā)生4-5級(jí)球化，可根據(jù)GB/T 35013—2018按受火材料處理[2]，由式（1）來(lái)確定受火材料的許用應(yīng)力：

式中：

[σ]afd——受火發(fā)生材質(zhì)劣化材料的許用應(yīng)力，MPa；

σht——由現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)定值轉(zhuǎn)換得到的抗拉強(qiáng)度換算值，MPa；

[σ]a——現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)量溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

nism——在用安全系數(shù)，可取原始設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，如果nism未知，也可取推薦值3.0；

nh——由硬度轉(zhuǎn)換得到的抗拉強(qiáng)度確定許用應(yīng)力時(shí)采用的安全系數(shù)，一般取1.2，對(duì)于Q245R和Q345R，nh可取 1.05。

實(shí)測(cè)4-5級(jí)球化的1Cr5Mo材料最小硬度值105 HB，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》及GB/T 33362—2016標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 硬度值的換算》[4，5]，將硬度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為抗拉強(qiáng)度值為350MPa，根據(jù)式（1）計(jì)算得到4-5級(jí)球化的1Cr5Mo材料在設(shè)計(jì)溫度443℃下的彈性許用應(yīng)力為78.53MPa，在超溫到550℃下的彈性許用應(yīng)力為63.57MPa。

按以上計(jì)算的許用應(yīng)力及圖計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度，可以得到結(jié)論：在設(shè)計(jì)溫度443℃下基于彈性設(shè)計(jì)的爐管剩余壽命為23年，在超溫工況550℃下基于彈性設(shè)計(jì)的爐管剩余壽命為21年。

3.3 蠕變——斷裂設(shè)計(jì)校核及剩余壽命計(jì)算

爐管蠕變壽命的評(píng)價(jià)主要根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3037-2002的蠕變——斷裂設(shè)計(jì)校核，按照該標(biāo)準(zhǔn)附錄A中的方法估算爐管蠕變——斷裂剩余壽命[1]。但不同之處在于，本文所分析的爐管存在4-5級(jí)球化的材質(zhì)劣化現(xiàn)象。由于無(wú)法割管進(jìn)行測(cè)試，球化1Cr5Mo材料的拉森——米勒爾曲線采用文獻(xiàn)值進(jìn)行替代，文獻(xiàn)[5-8]中的球化1Cr5Mo材料的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖7（a）所示[6-9]，根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合的95%下限拉森-米勒爾曲線如圖7（b）所示，圖中同時(shí)也給出了標(biāo)準(zhǔn)中1Cr5Mo原始材料的下限斷裂強(qiáng)度。由圖7（b）可見(jiàn)，在高應(yīng)力下，原始材料的持久性能要優(yōu)于球化材料，但是在低應(yīng)力下兩者卻區(qū)別很小，這說(shuō)明球化對(duì)于該爐管材料持久性能的影響并不明顯。

圖7 球化1Cr5Mo材料的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)

設(shè)定從爐管2012年為第一個(gè)操作周期，并且保守認(rèn)為球化從開(kāi)始運(yùn)行的很短時(shí)間內(nèi)就發(fā)生，在此條件下計(jì)算爐管剩余使用壽命。計(jì)算未來(lái)剩余壽命分?jǐn)?shù)時(shí)，以1年為1個(gè)周期，在設(shè)計(jì)溫度443℃以及超溫溫度550℃條件下每個(gè)周期的累積損傷情況如圖8所示。

圖8 爐管累積損傷隨時(shí)間變化情況

根據(jù)圖8中的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)爐管累計(jì)損傷達(dá)到1.0時(shí)將發(fā)生失效破壞，因此在設(shè)計(jì)工況溫度443℃條件下?tīng)t管的蠕變——斷裂剩余壽命為31年，而當(dāng)爐管超溫到550℃，則超溫條件下的蠕變——斷裂剩余壽命則縮短為14年。

4 結(jié)論

本文結(jié)合爐管現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，建立了存在超溫及嚴(yán)重球化爐管的壽命評(píng)價(jià)方法，也為存在球化等材質(zhì)劣化問(wèn)題的承壓類特種設(shè)備的壽命評(píng)價(jià)提供了方法支持。主要結(jié)論如下：

1）采用有限元方法分析了爐管的應(yīng)力情況，并根據(jù)受火材料硬度折算許用應(yīng)力的方法進(jìn)行了球化爐管的彈性設(shè)計(jì)校核，在設(shè)計(jì)溫度443℃下計(jì)算的爐管剩余壽命為23年，在超溫工況550℃下計(jì)算的剩余壽命為21年。

2）根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)的球化爐管持久性能進(jìn)行了球化爐管的蠕變——斷裂校核，在設(shè)計(jì)溫度443℃下計(jì)算的爐管剩余壽命為31年，在超溫工況550℃下計(jì)算的剩余壽命為14年。

3）綜合以上各種分析結(jié)果，當(dāng)存在可能的超溫工況550℃情況下，爐管的剩余壽命不超過(guò)14年。

4）為保證爐管使用安全，必須保證輻射段操作壓力、操作溫度的平穩(wěn)，特別要嚴(yán)格控制操作溫度的波動(dòng)，嚴(yán)禁超溫運(yùn)行，工藝允許條件下建議取溫度低限值運(yùn)行。