預(yù)加氫加熱爐爐管材料組織性能分析

預(yù)加氫加熱爐爐管材料組織性能分析

1輻射室爐管熱負荷+計量1991年7月，鎮(zhèn)海精制裝修廠f-401預(yù)加水加熱裝置竣工。該爐為圓筒爐,爐管材質(zhì)為Cr5Mo,至今已運行6年。在這期間,爐管多次發(fā)生過熱和過燒現(xiàn)象。a)1993年和1995年發(fā)生二次因停電管內(nèi)物料突然中斷,而燃料氣沒有及時關(guān)閉,火焰拼命加熱不流動的物料,使爐膛溫度達到800℃左右,輻射室爐管全部過燒約半小時。b)近一年時間的超負荷運行。1996年大修后由于催化劑等異物使進料換熱器部分堵塞,造成物料入爐溫度比原設(shè)計溫度約低20℃,而出口溫度仍要求達到設(shè)計溫度,因而不得不加大負荷運行,使輻射室熱負荷超過設(shè)計值,輻射室爐管過熱1年左右。F-401爐管經(jīng)過熱和過燒之后爐管外部彎曲、變形、表面氧化剝皮等比較嚴重,為了了解材料組織性能的變化以及能否安全使用故選擇了一組爐管,從入口管和出口管上各取一段(具體部位見圖1所示的AB和CD段爐管)分析其材料組織性能的變化并估算安全使用壽命,以便得出一些有益的結(jié)論。2爐管性能設(shè)計實際入口溫度:320℃;設(shè)計出口溫度:380℃;實際出口溫度:380℃;設(shè)計處理量:46t/h;實際處理量:40t/h;設(shè)計有效熱負荷:2.17MW;設(shè)計爐管管壁溫度:小于600℃設(shè)計壽命:大于105h;爐管規(guī)格(外徑×厚度×長度):ue001φ127×8×6000mm;實際爐管平均厚度:8.8mm;爐管材質(zhì):Cr5Mo;設(shè)計爐管的年腐蝕率:0.125mm;實際爐管的年腐蝕率:0.1mm。3材料組織性能分析3.1鍋爐用鋼球化的分級和保證圖2和圖3分別為入口爐管(簡稱1號管)和出口爐管(簡稱2號管)的金相組織。由圖2可知,1號爐管的金相組織已出現(xiàn)輕度球化,珠光體區(qū)域中的碳化物呈現(xiàn)粒狀,并開始逐漸向晶界擴散,珠光體形狀尚明顯,按照評級標準為球化2～3級。由圖3可知,2號爐管的金相組織與1號爐管的金相組織基本相同,但其球化程度比1號爐管略嚴重一些,按照評級標準為球化3級。鍋爐用鋼球化共分6個等級,分別是:未球化(1級)、有球化傾向(2級)、輕度球化(3級)、中度球化(4級)、完全球化(5級)和嚴重球化(6級),其中5級和6級球化后不應(yīng)再使用。因此,從金相組織分析可知,爐管只發(fā)生了輕度球化。3.2年生全過程中,3年生時率4.1號管和2號管各取3個試樣做常溫夏比Ⅴ型沖擊韌性試驗和硬度試驗,其結(jié)果見表1和表2。從表1和表2可以看到,入口爐管和出口爐管常溫狀態(tài)下的沖擊韌性和硬度仍保持正常值,其沖擊功試驗值和硬度值均符合GB9948—88《石油裂化用無縫鋼管》中規(guī)定的大于92J和小于187HB的要求。3.3爐管材質(zhì)的影響在1號和2號管上也各取3個試樣,其中1個進行常溫拉伸試驗,2個進行高溫拉伸試驗,其試驗結(jié)果見表3。從表3的試驗結(jié)果可見:入口、出口爐管在常溫下的力學性能相近,基本上符合GB9948—88《石油裂化用無縫鋼管》的要求。但在高溫下,出口爐管的拉伸和屈服強度均低于入口爐管,而且低于GB150—89《鋼制壓力容器》附錄A的要求。這說明出口爐管材質(zhì)的性能已開始退化。綜上所述,爐管在常溫下,金相組織以及塑性、韌性和強度都未發(fā)生大的變化,都滿足規(guī)范的要求。但在高溫下,尤其是出口爐管的機械性能發(fā)生了退化,也就是爐管材質(zhì)發(fā)生了一定的損傷,但損傷的程度不大,其屈服和抗拉強度仍接近或略低于規(guī)定值。因此,仍可繼續(xù)使用,但需定期的對爐管進行理化檢驗,了解和掌握其組織發(fā)生退化的趨勢。4爐管剩余壽命計算爐管剩余壽命的計算通常有兩種方法:其一,通過模擬爐管在加熱爐中的實際操作情況,進行高溫蠕變實驗。這雖能比較精確地得出爐管的剩余壽命,但因?qū)嶒灄l件苛刻以及實驗周期長通常采用比較少;其二,通過前人對各種材料在各種壓力、溫度和斷裂時間下得到的斷裂曲線,最常用的是拉申-米勒爾參數(shù)曲線進行估算,雖然此方法能比較容易的得出爐管的剩余壽命,但在計算中有許多難以確定的因素。比如:a)爐管過去的操作條件,包括操作壓力、金屬管壁溫度和腐蝕速度不能很精確地提供,只能近似的給出,特別是溫度對估算影響比較大;b)曲線所提供管子的斷裂強度與實際采用爐管的斷裂強度存在著一定的誤差,盡管存在著一些難以確定的因素,但如果爐管過去的操作條件能比較精確地查出,估算仍比較精確并能提供許多有意義的數(shù)據(jù),有利于分析判斷。為了能比較精確地估算出爐管的剩余壽命,查閱了近幾年來的操作記錄,得到了比較詳細的各個操作周期內(nèi)的壓力、溫度、壁厚等數(shù)據(jù)(詳見表4),根據(jù)這些操作參數(shù),先計算出爐管已累計破壞的時間,即已消耗的壽命分數(shù),然后,根據(jù)已消耗的壽命分數(shù),從三個方面對爐管進行估算:a)在現(xiàn)有操作壓力、金屬管壁溫度和腐蝕速度下爐管的剩余壽命;b)在現(xiàn)有操作壓力和腐蝕速度下,為確保爐管繼續(xù)使用一個或幾個周期,其溫度不應(yīng)超過多少;c)如管壁溫度達到Cr5Mo爐管設(shè)計管壁溫度時,為了確保爐管繼續(xù)使用一個或幾個周期,其壓力不應(yīng)超過多少。4.1對管道消耗損失的估計4.1.1爐f-400主導溫度的測定計算公式:根據(jù)羅伯特-伊萬斯假設(shè),爐膛內(nèi)煙氣溫度等于煙氣出輻射室的溫度,而煙氣出輻射室的溫度,可由實際布置在爐F-401輻射室頂?shù)膬芍ΨQ的熱電偶上測出。通過查閱了這幾年的記錄,用最小二乘法回歸,得到爐F-401各個操作周期內(nèi)煙氣出輻射室的溫度的平均值。根據(jù)這個值,按上述公式計算得到各個操作周期內(nèi)爐管最高壁溫的平均值,詳見表4。4.1.2厚方向的溫度差引起的熱應(yīng)力爐管在爐膛內(nèi)受到三方面應(yīng)力的作用:a)由內(nèi)壓而引起的膜應(yīng)力;b)由壁厚方向的溫度差引起的周向熱應(yīng)力;c)由熱膨脹受到支承約束的限制而引起的彎曲應(yīng)力。由于爐F-401采用的是上吊掛、下導向的結(jié)構(gòu),爐管能夠自由膨脹,故彎曲應(yīng)力可忽略,其平均應(yīng)力的計算公式為:σ=σ1+σ2(3)4.1.3拉申-納米爾曲線計算公式:logLr=U×1000/(Td+273)-C(5)式中:Lr——斷裂壽命,h;U——拉申-米勒爾值,由平均應(yīng)力查拉申-米勒爾曲線得到;Td——設(shè)計金屬溫度,℃;C——拉申-米勒爾常數(shù),鐵素體鋼C=15,奧氏體鋼C=20。4.1.4計算的長度差計算公式:壽命分數(shù)=運行時間/斷裂壽命4.1.5壽命分數(shù)的累積計算公式:累積壽命分數(shù)=各個操作周期內(nèi)所有壽命分數(shù)的累積。選取了操作條件相對苛刻的出口爐管作為計算對象,各個操作周期的操作條件及每個操作周期的壽命分數(shù)的計算結(jié)果見表4。4.2爐管壽命分數(shù)累積從上節(jié)計算可以得到,在過去的幾年內(nèi),爐管的壽命分數(shù)耗盡累計已達到0.0553,即爐管已消耗了約5.5%的壽命,這與從金相及機械性能方面分析的結(jié)果比較接近,故爐管壽命分數(shù)耗盡累積的估算值是可信的。爐管剩余壽命=1-0.0553=0.9447,假設(shè)該爐管的年腐蝕速度仍為0.125mm,那么,可以做下面三個方面的估算。4.2.1爐管剩余壽命分數(shù)在現(xiàn)有的操作壓力(P=2.10MPa)、金屬管壁溫度(Td=540℃)和腐蝕速度(f=0.125mm/a)不變,而且,爐管剩余壽命分數(shù)只有0.9447的情況下,當未來每個操作周期(以一年為一個操作周期)的累計壽命分數(shù)大于爐管剩余壽命分數(shù)時(計算方法同上節(jié)累積壽命分數(shù)計算方法相當),則得到爐管的剩余壽命為24年。4.2.2金屬管壁溫度最高不符合爐管剩余周期的確定在現(xiàn)有的操作壓力和腐蝕速度不變的情況下,為了能使爐管仍能使用一個或幾個操作周期,那么其金屬管壁溫度最高不應(yīng)超過多少?計算方法仍同累積壽命分數(shù)的計算方法,通過選擇不同的金屬管壁溫度,使計算出的一個操作周期或規(guī)定的幾個操作周期之內(nèi)的壽命分數(shù)之和大于爐管剩余壽命分數(shù)時,得到最高金屬管壁溫度,結(jié)果如表5所示:4.2.3標準1:最低操作壓力下的斷裂壽命在實際操作中,有時仍可能會出現(xiàn)由于爐管內(nèi)物料結(jié)焦、偏流或者火焰分布不均偏燒而造成爐管管壁溫度達到或超過設(shè)計的最高管壁溫度600℃,為了保證爐管仍能使用一個或幾個周期,只有通過降低操作壓力來保證。計算方法仍同累積壽命分數(shù)的計算方法,通過選擇不同的操作壓力,使計算出一個或者規(guī)定的幾個操作周期之內(nèi)的壽命分數(shù)之和大于爐管剩余壽命分數(shù)時,得到了最高操作壓力,其結(jié)果如表6所示:綜上所述,爐管的剩余壽命以及最高管壁溫度和最高操作壓力的估算,雖然不能作為爐管判廢或更換的依據(jù),但它可以作為在實際操作中爐管應(yīng)控制的溫度和壓力等參數(shù)的依據(jù)。根據(jù)此依據(jù),能安全合理地使用和操作加熱爐,并能有目地的對爐管進行理化檢驗,對實際