重整四合一爐用國產(chǎn)P9鋼管服役狀況和剩余壽命預(yù)測

陳文紅

(中國石油化工股份有限公司 茂名分公司，廣東茂名 525000)

0 引言

隨著我國煉油工業(yè)飛速發(fā)展與國產(chǎn)原油能力不足的矛盾日益突出，自2000年以來國內(nèi)進(jìn)口中東高硫原油與日俱增。隨著加工進(jìn)口高硫原油量的不斷增加，我國新建煉油裝置和在役煉油裝置中的高溫臨氫部位工藝管道和爐管，大量采用傳統(tǒng)的石油裂化用無縫鋼管(如P11，P12，P22，P5)或改用P9管[1-2]。

早期，國內(nèi)石化行業(yè)所用的P9鋼管基本從國外采購，但是交貨期長，且價(jià)格昂貴，嚴(yán)重制約了我國石化行業(yè)的快速發(fā)展[3-4]。為了改變這種狀況，寶鋼于2005年開展石油裂化用P9鋼管的研制，其研制的產(chǎn)品主要性能如下：抗拉強(qiáng)度540～560 MPa、屈服強(qiáng)度245～280 MPa、斷后伸長率34.0%～37.5%，其產(chǎn)品性能滿足美國材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A335 的要求，可替代進(jìn)口產(chǎn)品[5]。2006年3月，第一批國產(chǎn)化的P9鋼管安裝在茂名石化100萬噸/年連續(xù)重整裝置的四合一爐上，并于同年8月開始運(yùn)行。截止到2009年裝置停工大修時(shí)，P9爐管均使用正常，裝置平穩(wěn)。為了考察P9鋼管的使用性能狀況，2013年10月，茂名石化在大修期間切割出一根P9鋼管進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，并對(duì)其剩余壽命進(jìn)行了評(píng)估。本文針對(duì)該國產(chǎn)化的P9鋼管的使用后情況進(jìn)行研究分析，對(duì)其剩余壽命進(jìn)行預(yù)測。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

該100萬噸/年連續(xù)重整裝置“四合一”重整加熱爐P9鋼管，服役時(shí)間為7年2個(gè)月，材料為P9，訂貨規(guī)格為?114.3 mm×6.02 mm，管壁最高溫度650 ℃，最高工作壓力0.5 MPa，鋼管內(nèi)介質(zhì)為氫氣和石腦油氣。

1.2 試驗(yàn)方法

采用游標(biāo)卡尺和測厚儀分別對(duì)P9鋼管外徑和壁厚進(jìn)行測量，測點(diǎn)沿爐管圓周間隔90°、沿爐管軸向間隔200 mm；采用Spectro MAXx型火花式直讀光譜儀對(duì)P9鋼管向火面和背火面部位化學(xué)成分進(jìn)行測試。采用SHT4505型電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)P9鋼管向火面和背火面部位進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，室溫拉伸試樣為矩形截面試樣。采用應(yīng)力控制加載模式，彈性及屈服階段的應(yīng)力速率為10 MPa/s，屈服后至試樣斷裂的位移速率為10 mm/min。采用CSS3905電子高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)對(duì)P9鋼管向火面部位取樣進(jìn)行高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，高溫短時(shí)拉伸試樣為標(biāo)準(zhǔn)矩形截面蠕變?cè)嚇印Ｔ囼?yàn)過程中通過上中下三段熱電偶控制試樣表面溫度，并通過電腦程序控制載荷，使試樣在恒定的環(huán)境溫度下受到恒定的應(yīng)力作用。采用RDJ-30型機(jī)械式高溫持久試驗(yàn)機(jī)對(duì)P9鋼管進(jìn)行了不同溫度、不同應(yīng)力水平條件下的高溫持久試驗(yàn)。選擇矩形截面試樣，標(biāo)距30 mm，中心部位寬度10 mm，厚度2.5 mm。試樣從室溫加熱至目標(biāo)溫度，保溫1 h，施加應(yīng)力至目標(biāo)應(yīng)力直至斷裂，溫度控制在±3 ℃以內(nèi)。

樣品通過磨制、拋光，再在5%HNO3酒精中進(jìn)行浸蝕，浸蝕時(shí)間為10～30 s，浸蝕后將樣品放入酒精溶液中清洗5～10 min，取出，烘干。采用XJG-05型光學(xué)金相顯微鏡對(duì)P9鋼管向火面和背火面分別進(jìn)行金相觀察。采用ZEISS SUPRA 40型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)P9鋼管材料內(nèi)外壁氧化層深度、顯微組織、蠕變空洞等進(jìn)行觀察和表征，并進(jìn)行微區(qū)EDS分析，重點(diǎn)分析氧化物和碳化物的種類和分布。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀檢查結(jié)果

對(duì)P9鋼管外徑和壁厚分別進(jìn)行測量，實(shí)測各部位外徑最大值115.82 mm，最小值113.48 mm;各部位壁厚最大值6.6 mm，最小值5.8 mm，與訂貨規(guī)格基本沒變化，由此可見,該P(yáng)9鋼管各部位未發(fā)生明顯鼓脹等變形。根據(jù)四合一爐的加熱方式，P9鋼管在爐內(nèi)有背火面部位和向火面部位，通過肉眼觀察和比較發(fā)現(xiàn)，背火面的P9鋼管外壁氧化較輕微，而向火面的外壁氧化較嚴(yán)重[6]。

2.2 化學(xué)成分測試

分別對(duì)P9鋼管的向火面和背火面部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分測試，結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果 %

由表1可以看出，無論是背火面還是向火面，其各主要元素含量相近，且各元素含量均符合ASTM A335對(duì)P9材質(zhì)的要求。

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)研究

對(duì)P9鋼管背火面和向火面分別取室溫拉伸試樣，并對(duì)其進(jìn)行測試，其結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，P9鋼管背火面和向火面屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均滿足ASTM A335對(duì)P9材質(zhì)的要求，且背火面和向火面室溫力學(xué)性能無明顯差別。

表2 室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)P9鋼管向火面所取試樣進(jìn)行650,620,540 ℃條件下的高溫拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著試驗(yàn)溫度升高，P9鋼管的強(qiáng)度均降低，但斷后伸長率增大。

表3 高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4 微觀組織觀察及能譜分析

對(duì)P9鋼管分別從圓周方向間隔90°取試樣進(jìn)行光學(xué)金相觀察，通過對(duì)圓周方向4個(gè)不同部位光學(xué)金相照片觀察發(fā)現(xiàn)：服役后的P9鋼管組織均為貝氏體+少量鐵素體[1]，不同部位試樣組織無明顯差異，且在光學(xué)顯微鏡下這些部位均未發(fā)現(xiàn)空洞、裂紋等缺陷，如圖1,2所示。

圖1 背火面金相組織照片

圖2 向火面金相組織照片

通過對(duì)P9鋼管向火面試樣沿壁厚方向不同部位進(jìn)行電子金相觀察和微區(qū)EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)外壁主要為Fe和Cr的氧化物和碳化物，厚度約為120～250 μm，未見空洞、裂紋等缺陷(見圖3、表4)?？拷獗诓课缓椭虚g壁厚主要為Fe和Cr的碳化物，其中灰黑色塊狀物為Al2O3和CaO夾雜物，且夾雜物呈塊狀，長約12 μm，寬約5 μm，未見裂紋，分別如圖4、表5和圖5、表6所示。

圖3 向火面試樣外壁部位能譜分析位置

表4 向火面試樣外壁部位能譜分析結(jié)果 %

圖4 向火面試樣靠近外壁部位能譜分析位置

表5 向火面試樣靠近外壁部位能譜分析結(jié)果 %

通過對(duì)四合一爐用國產(chǎn)P9鋼管的成分分析發(fā)現(xiàn)，P9鋼管中Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均達(dá)到8.98%。P9鋼管的化學(xué)成分與傳統(tǒng)的石油裂化用無縫鋼管(如P11，P12，P22，P5)相比，其Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，有利于提高材料抗高溫氧化腐蝕和熱強(qiáng)性能，這是由于在高溫服役過程中P9鋼管表面形成較致密的Fe3O4·Cr2O3膜或致密的Cr2O3膜，可減緩鋼管繼續(xù)氧化的速度[5]。

圖5 向火面試樣中間壁厚部位能譜位置

表6 向火面試樣中間壁厚部位能譜分析結(jié)果 %

3 剩余壽命預(yù)測

為了掌握服役后的P9鋼管的剩余壽命，本文采用目前最常用的時(shí)間-溫度參數(shù)外推法L-M參數(shù)法[7-11]，預(yù)測P9鋼管的剩余壽命情況。

時(shí)間-溫度參數(shù)法L-M公式為：

Pc(σ)=T·10-3(C+lgt)

(1)

式中Pc(σ)——熱強(qiáng)參數(shù)，也稱L-M參數(shù)；

T——以熱力學(xué)溫度表示的試驗(yàn)溫度，K；

C——材料常數(shù)；

t——斷裂時(shí)間，h。

根據(jù)API 530，P9鋼管材料常數(shù)C=20，可計(jì)算出L-M熱強(qiáng)參數(shù)Pc。

從P9鋼管上取30件持久試樣，進(jìn)行不同溫度、不同應(yīng)力的高溫持久性能試驗(yàn)。試驗(yàn)條件選取5個(gè)溫度、13個(gè)應(yīng)力水平，其結(jié)果如表7所示。

表7 高溫持久試驗(yàn)結(jié)果

由式(1)計(jì)算，得到Pc-σ的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 L-M參數(shù)法表示的應(yīng)力與斷裂時(shí)間關(guān)系

4 結(jié)論

(1)服役7年2個(gè)月后的P9鋼管,其材料理化性能未發(fā)生顯著變化，仍滿足ASTM A335對(duì)P9材質(zhì)的要求。

(2)該四合一爐用國產(chǎn)P9鋼管在管壁最高溫度650 ℃、最高工作壓力0.5 MPa條件下，服役的鋼管母材預(yù)期剩余壽命約5年，截至2019年11月，在該服役條件下運(yùn)行平穩(wěn)。