高壓加氫循環(huán)氫爐管剩余壽命評估

許偉龍

(中國石化上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

加氫裂化裝置作為石油深加工的重要手段之一，對提高原油的利用率及深度加工、保證和提高產品質量有十分重要的作用。在加氫裂化裝置中，循環(huán)氫加熱爐處于高溫、高壓、臨氫操作環(huán)境，介質具有易燃易爆的特性，確保爐管的穩(wěn)定運行關系到整套裝置的安全和效益。

某石化加氫裂化裝置循環(huán)氫加熱爐爐管已經連續(xù)運行14萬h，長期在高溫工況下服役的不銹鋼材料可能會出現(xiàn)碳化物析出、材料脆性上升等情況，影響爐管的安全運行。為了確保設備可以繼續(xù)安全運行，通過現(xiàn)場檢測和對樣品進行金相分析以及力學性能測試等，對輻射段爐管進行安全評估，同時研究評估爐管的剩余壽命，對今后裝置安全運行是否需要更換爐管以及如何安全管理給出指導性意見【1】。

1 現(xiàn)場爐管檢查

該加熱爐為立式底燒型，輻射段共64根爐管(8組，8根/組)，其中爐管進口部位材質為321，規(guī)格為DN80，最小壁厚為8.7 mm，設計壁溫為550℃;爐管出口材質為Incoloy800，規(guī)格為DN80，最小壁厚為9.4 mm，設計壁溫為610℃。現(xiàn)場爐管宏觀檢查如圖1(a)和圖1(b)所示。檢查發(fā)現(xiàn)爐管的總體外觀情況較好，無明顯的磨損和宏觀表面裂紋以及其他形式的宏觀缺陷。對輻射段爐管的彎曲變形情況進行目視檢查，發(fā)現(xiàn)爐管有少量彎曲變形，但是變形量較小，因此認為不會對爐管的安全運行構成影響。對輻射段爐管的外徑進行測量，未發(fā)現(xiàn)明顯的鼓脹現(xiàn)象，說明爐管未發(fā)生明顯蠕變損傷。

圖1 爐管宏觀檢查

1.1 爐管壁厚檢測

為了檢驗爐管是否發(fā)生局部減薄現(xiàn)象，對直管段部位和下部彎頭進行了測厚檢驗，檢測結果見表1。由表1的實測數(shù)據(jù)可見，輻射段直管最小壁厚為10 mm，無明顯減薄現(xiàn)象，爐管壁厚滿足要求。

表1 爐管厚度檢測結果

1.2 無損檢測及金相檢驗

現(xiàn)場對爐管焊縫進行了無損檢測。抽查輻射段出口位置爐管焊縫兩道，分別進行了滲透檢驗和超聲波檢測，結果顯示，爐管兩道焊縫檢測數(shù)據(jù)一致，均未發(fā)現(xiàn)缺陷，評定焊縫級別均為1級，合格。

檢測報告分別見表2和表3。

表2 輻射段出口爐管焊縫滲透檢測

表3 輻射段出口爐管焊縫超聲波檢測

同時對爐管焊縫及母材進行現(xiàn)場金相檢驗，如圖2和圖3所示。檢驗發(fā)現(xiàn)，材料組織正常，屬正常奧氏體焊縫和母材組織，有輕微的碳化物析出。

圖2 爐管焊縫金相檢驗

圖3 爐管母材金相檢驗

2 試驗研究

2.1 樣品化學成分分析

取現(xiàn)場輻射段出口帶焊縫爐管一段，材質為Incoloy800，對取樣材料母材和焊縫進行了化學成分分析，結果見表4。

由表4可知，母材化學成分滿足ASTM B407-08a(2019)標準要求，屬于高鎳耐熱鎳-鐵基高溫合金，在高溫環(huán)境下具有良好的強度和耐腐蝕性、耐氧化性【2】。

表4 爐管化學成分(質量分數(shù))

2.2 拉伸性能試驗

材料拉伸試驗的目的有兩個，一是通過測定屈服強度Rp0.2及抗拉強度Rm值看材料在高溫運行后是否還具有足夠的強度，二是根據(jù)截面收縮率Z和斷后延伸率A的測定結果考核材料的延性與塑性的變化情況【3】。按照GB 228.1—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 228.2—2015《金屬材料高溫拉伸試驗方法》分別在室溫和620℃(輻射段爐管出口端最高壁溫達到過620℃)下進行了爐管材料的拉伸試驗，試驗結果分別見表5和表6。

表5 室溫拉伸試驗結果

表6 620℃高溫拉伸試驗結果

從拉伸試驗結果可以看出:室溫下，取樣材料母材的屈服強度Rp0.2及抗拉強度Rm值均遠高于標準規(guī)定的下限值;塑性指標斷后延伸率A也遠高于標準要求的下限值。相比室溫，高溫620℃時的拉伸性能中，屈服強度和抗拉強度有所下降，而斷后伸長率和斷面收縮率變化不大。這種變化基本符合規(guī)律，一般來說隨溫度升高，材料軟化，強度便要下降，而相應塑性增加。因此，材料的拉伸試驗結果說明，該爐管材料經過長期高溫運行后材質損傷程度輕微，其基本力學性能指標仍滿足相關標準中對新材料的要求。

2.3 沖擊試驗

沖擊試驗可以判定爐管材料高溫長期服役后是否發(fā)生了脆化以及確定具體的脆化程度。由于爐管壁厚較薄，因此只能加工成10 mm×5 mm×55 mm的沖擊試樣。母材和焊縫的室溫沖擊試驗結果見表7。由表7可以看到，爐管材料仍具有很高的沖擊韌性，能夠滿足材料安全使用的要求。

表7 爐管材料室溫沖擊試驗結果

母材和焊接接頭室溫下的沖擊試樣斷口的宏觀形貌分別見圖4和圖5，很明顯，室溫時材料的沖擊韌性還很高，斷口形貌以韌性斷口為主，所有斷口側向變形較大，其中母材室溫沖擊3個試樣都沒有完全斷裂。

圖4 母材室溫沖擊試樣斷口

圖5 焊接接頭室溫沖擊試樣斷口

3 高溫持久試驗及壽命評估

3.1 高溫持久試驗

目前，評估材料剩余壽命的方法有許多種，最為常用的是采用高溫持久性能。本次對取樣爐管材料母材進行了620℃高溫持久強度試驗，試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 620℃高溫持久強度試驗結果

3.2 爐管剩余壽命評估

對爐管的剩余壽命預測采用Larson-Miller公式，即:

式中:P(L－M)——熱強參數(shù);

T——試驗溫度，K;

C——材料常數(shù)，爐管材料可取為20;

t——斷裂時間，即預測壽命時間，h。

根據(jù)表8中的高溫持久強度試驗數(shù)據(jù)，得出在相應應力數(shù)值時的P(L－M)的數(shù)值，按照Larson-Miller公式對表6中數(shù)據(jù)進行處理，可以得到熱強參數(shù)P(L－M)與試驗應力σ之間的函數(shù)關系，數(shù)據(jù)擬合曲線見圖6，擬合方程為:

圖6 持久數(shù)據(jù)擬合曲線

爐管實際運行環(huán)境比較惡劣，受力情況比較復雜，但是由于爐管內介質壓力是一定的，為16 MPa，因此可以用爐管受到的最大周向應力來評估爐管剩余壽命。

周向應力σ周計算公式如下:

式中:p——介質壓力，MPa;

D——平均直徑，mm;

δ——有效壁厚，mm。

代入前述爐管基本參數(shù)可以得最大周向應力

將計算所得爐管最大周向應力63.12 MPa代入式(2)，得到相應的P(L－M)值為22.039。最后將得到的P(L－M)值代入式(1)，得到相應的斷裂時間為4.78萬h，取安全系數(shù)1.3，則爐管的預測壽命為3.6萬h。

4 結論

本文對某循環(huán)氣加熱爐輻射段爐管取樣材料進行試驗研究，得出如下結論:

1)化學成分測定結果顯示，取樣的輻射段爐管材料主要成分滿足原標準的要求。

2)室溫和高溫(620℃)拉伸試驗測定結果顯示，取樣爐管材料服役近14萬h后，室溫強度指標及相關塑性指標仍符合HG/T 2601—2011標準規(guī)定值。

3)通過沖擊試驗，測定了取樣材料母材和焊縫室溫的沖擊功，結果顯示，爐管材料還是具有很高的沖擊韌性，能夠滿足材料安全使用的要求。

4)爐管材料試樣的金相組織檢驗結果表明，焊縫一側母材為孿晶奧氏體，另一側母材為柱狀奧氏體，材料組織正常。

5)根據(jù)爐管材料試樣的620℃持久強度試驗數(shù)據(jù)，采用Larson-Miller公式，對輻射段爐管的剩余壽命進行了預測，得到爐管的剩余壽命為3.6萬h。如果輻射段爐管壁溫嚴格控制在設計溫度610℃以下，那么其剩余壽命還要更長。

6)由于超溫會嚴重降低高溫爐管的安全使用壽命，因此必須保證爐管在設計工況下運行，在平時的運行中嚴禁超溫超壓現(xiàn)象的發(fā)生。