高温炉管安全评价及寿命预测系统[1]

高温炉管安全评价及寿命预测系统2019年10月2日星期三2石油化工行业是现代工业体系中的重要组成部分，制氢炉、转化炉、裂解炉是石化行业关键的高温设备，高温炉管是这些设备的核心部件。炉管服役条件恶劣，承受高温(900℃~1200℃)、高压(2.5~5MPa)及夹带颗粒的腐蚀性气体的冲蚀。前言2019年10月2日星期三3服役过程中会发生蠕变、热疲劳、氧化、渗碳、腐蚀等现象，造成炉管性能劣化甚至失效。任何一根炉管的损坏，均将造成整个装置停车，除造成巨大的经济损失外，还极易引发火灾、爆炸和人身伤亡事故。前言2019年10月2日星期三4制氢炉转化炉2019年10月2日星期三5炉内炉管排列2019年10月2日星期三6图1炉管爆裂2019年10月2日星期三7图2高温炉管蠕变裂纹2019年10月2日星期三8对炉管性能的要求：良好的抗渗碳性能；良好的耐腐蚀性能；良好的抗高温蠕变性能；良好的抗热疲劳性能；良好的抗氧化性能；良好的导热及焊接性能2019年10月2日星期三9目前我国常用型号HK40、HP40、HP50等。图1HK40炉管铸态原始组织(×100)图2HP40炉管铸态原始组织(×100)基体组织均为A+M7C3。2019年10月2日星期三10图3高温炉管的铸态组织示意图细晶层柱状晶等轴晶缺陷层外侧内侧细晶层柱状晶等轴晶缺陷层外侧内侧2019年10月2日星期三11图4高温炉管的宏观组织示意图2019年10月2日星期三12合金元素CSiMnPSNiCrMoHK400.35~0.450.50~2.001.50.040.0419.0~22.023.0~27.0≤0.50HP400.37~0.452.00≤1.25≤0.03≤0..0334.0~37.024.0~27.0≤0.50表1HK40和HP40高温炉管的化学成分HP40耐热钢其Ni含量比HK40提高了15%，目的是为了提高炉管在高温区的性能。Ni含量增加也提高了抗氧化和抗渗碳能力，减少了碳在奥氏体中的溶解度。在含碳量相同的情况下，HP40比HK40炉管的共晶碳化物多，故使蠕变断裂抗力提高。2019年10月2日星期三13造成炉管失效的因素大致可分为以下三类：1、外应力或热应力引起的失效：蠕变变形；蠕变断裂；热疲劳破坏等。2、腐蚀引起的失效：氧化；渗碳；氢腐蚀；硫腐蚀；钒腐蚀及氮化等。3、材质劣化或材质缺陷引起的失效：相脆化；组织劣化；475℃脆化；材质冶金缺陷等。2019年10月2日星期三14温度、应力均为常数伸长率时间减速期等速期加速期图5高温炉管的蠕变曲线首先在管壁内产生空洞，空洞几乎都在碳化物与基体的交界处形成。随蠕变的进行，空洞增加并沿碳化物连接起来形成微裂纹。随后，裂纹先向内侧，后向外侧扩展，在炉管内压及热应力等作用下，最终导致炉管开裂。2019年10月2日星期三15破裂管新管蠕变孔洞图6高温炉管的蠕变裂纹蠕变裂纹2019年10月2日星期三16目前高温炉管安全评价技术体系：涡流检测化学成分分析渗透检测渗碳层厚度测量超声检测腐蚀状况分析组织分析常温力学性能测试蠕胀测量高温力学性能测试硬度测量X射线衍射分析应力计算扫描电镜观察2019年10月2日星期三17超声检测：高温炉管是离心铸造的奥氏体不锈钢，料晶粒粗大、表面粗糙。超声波检测大晶粒奥氏体不锈钢遇到的两个主要问题是粗大的树枝状晶和晶粒的择优取向，由于声阻抗的变化，晶界散射使较大部分能量耗散在晶界上，常规的超声检测方法是无法进行检测的。2019年10月2日星期三18图7高温炉管粗大的树枝状组织2019年10月2日星期三191520253035-2-1012Amplitudet(s)图8超声反射法检测2019年10月2日星期三20早在70年代末，国外就投入了大量的人力物力开展了高温炉管检测技术的研究，1982年，美国的Conam公司在我国的辽河化肥厂进行了首次的现场实际检测，但其核心技术一直对外保密。随着我国国民经济的发展，大型炼油装置和合成氨装置的不断引进，迫切需要快速、准确的高温炉管检测技术。2019年10月2日星期三21国内最早开展高温炉管检测技术研究的是大连理工大学，从1983年开始就着手此项技术的研究，成功地开发了利用透射法检测HK40材料的高温炉管，波形清晰，定性准确，并在炉管的损伤形式、级别评定及寿命预测方面进行了大量的研究工作，成功地替代国外技术在全国进行了推广应用。2019年10月2日星期三22152025303540-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.5P(v)t(s)图7超声透射法检测Tn2019年10月2日星期三23爬管机高温炉管探头图8超声波检测系统2019年10月2日星期三24记录系统爬管机图9超声检测设备2019年10月2日星期三25图10超声检测记录曲线2019年10月2日星期三26图11获奖证书（1）2019年10月2日星期三27个人简介图12获奖证书（2）2019年10月2日星期三28本项目已被辽宁省科技厅列为2011年辽宁省第一批重大共性推广技术本项目已申报2011年全国安全生产百项先进适用技术图13获奖证书（3）2019年10月2日星期三29主要应用单位（排名不分先后）中国石油大连石化公司大连西太平洋石油化工有限公司齐鲁石化胜利炼油厂石家庄炼油厂烟台玛奴尔合金炉管厂齐鲁石化第二化肥厂抚顺石油三厂烟台百思特合金炉管厂中油辽河石化分公司湖南洞庭氮肥厂2019年10月2日星期三30盘锦化工有限责任公司杭州大通合金炉管厂扬州新华合金炉管厂辽阳石化分公司化工一厂广东华立合金炉管公司本溪北方化工集团新疆阿克苏华锦化肥有限责任公司巴陵石化鹰山石油化工厂河南中原化肥厂中石油大港石化分公司中国石化杭州炼油厂2019年10月2日星期三31北京燕山石化化工一厂黑龙江化工总厂胜利油田化工有限责任公司中国石化金陵石化公司炼油厂辽阳石化分公司炼油厂辽河油田化工总厂中国石化镇海炼化分公司齐鲁石化第一化肥厂中石油锦西石化分公司中国石化天津炼油厂中石油青海油田格尔木炼油厂2019年10月2日星期三32随着炉管逐渐改用薄壁的HP-Nb材料，并且检修期间隔越来越长，原有的检测技术就显得比较粗糙，手段比较单一，目前国际国内在HP-Nb材料的检测技术上还依赖原有的超声检测技术，也无相应的国家标准和规范，只有原美国CONAM公司针对HK40材料的企业规范。2019年10月2日星期三33改进1：操作系统。选区光阑波形回放焊缝标注存储打印图14改进的操作系统2019年10月2日星期三34图15记录曲线（1）2019年10月2日星期三35图16记录曲线（2）2019年10月2日星期三36改进2.设计了可调参数探头架。图17不同壁厚炉管的声束传播路径(a)HK40厚壁管(b)HP40薄壁管(a)(b)2019年10月2日星期三37红外摄像长度计量焊缝自动识别蠕胀测量遥控运行自动换向缺陷标记改进3.增加爬行装置功能。图18炉管爬行装置2019年10月2日星期三38改进4：蠕胀连续测量。下一步计划：非接触检测；损伤级别的评定；蠕变损伤早期预警；2019年10月2日星期三39组织分析：炉管组织的变化是评价炉管状态的重要手段之一。基体组织：A+M7C3。随运行时间增长，骨架状碳化物→网链状，网链状越明显，组织劣化越严重。二次碳化物析出，弥散状→块状，致使材料持久强度和硬度降低，高温力学性能严重下降。2019年10月2日星期三40HP炉管900℃服役2万小时微观组织(奥氏体+晶内时效析出细小碳化物)HP炉管铸态(新管)微观组织(奥氏体+M7C3碳化物)M7C3碳化物HP炉管900℃服役8万小时微观组织(奥氏体+晶内粗化的二次碳化物+晶界网链状碳化物)M23C6碳化物HP炉管900℃时效12万小时微观组织(奥氏体+晶界网链状碳化物）图19几种不同状态下HP-40Nb炉管的微观组织2019年10月2日星期三41蠕胀测量：炉管长期在高温、高压下运行时，不可避免地会产生蠕胀现象，导致炉管的外径发生变化。硬度测量：组织变化导致硬度下降。化学成分分析：运行时间延长，化学成分发生变化。X射线衍射：观察组成相的变化。力学性能测试：常温、高温。2019年10月2日星期三42信号发生器控制器检测探头升降装置显示系统处理系统信号发生器控制器检测探头升降装置显示系统处理系统渗碳层厚度测量渗碳致使炉管有效壁厚减小，应力增加，造成早期损坏。图20渗碳检测装置结构示意图2019年10月2日星期三43炉管基本数据尺寸检测及试验数据过去服役工况未来服役工况L-M外推法断裂力学法多元回归法无损检测法经验方法持久寿命可靠性预测模拟工作温度、应力波动的影响考虑开、停车，炉管腐蚀、弯曲的影响寿命综合预测炉管基本数据尺寸检测及试验数据过去服役工况未来服役工况L-M外推法断裂力学法多元回归法无损检测法经验方法持久寿命可靠性预测模拟工作温度、应力波动的影响考虑开、停车，炉管腐蚀、弯曲的影响寿命综合预测剩余寿命评估图21炉管剩余寿命评估过程示意图2019年10月2日星期三44声束传播路径设计交互式爬管机设计检测及评价模块设计检测灵敏度试验炉管损伤级别评定蠕变试验持久强度试验金相复膜分析硬度试验裂纹扩展试验寿命预测模型构建剩余寿命预测渗碳层厚度检测图22炉管检测及寿命评估技术路线2019年10月2日星期三45