（化工过程机械专业论文）焦化炉cr5mo炉管高温损伤和剩余寿命预测.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 焦化炉c r 5 m o 炉管高温损伤和剩余寿命预测 摘要 延迟焦化在炼油行业中占有重要地位，而焦化炉是决定焦化装置 能否长期稳定运行的关键设备之一。由于焦化炉操作温度较高，炉管 材料在高温环境下会发生高温氧化、珠光体球化等材料性能退化现象。 特别是在焦化炉操作参数不稳定的情况下，会发生炉管短时超温，这 更加剧了炉管材料的退化，进一步降低了炉管的使用寿命。因此开展 焦化炉炉管高温损失分析和剩余寿命评估对于预防发生爆炸事故，指 导现役炉管定期更换具有重要工程实际意义。 本文以某炼化公司一套运行了近9 年的焦化炉炉管为研究对象，炉 管材料为c r s m o ，分析了材料性能的高温损伤情况，并预测了炉管剩 余寿命。分别从现场检验和实验室试验两方面进行了炉管的壁厚检测、 硬度和金相组织分析、化学成分分析、力学性能试验。结果表明：炉 管经过长时间高温环境下服役后，其化学成分符合标准规定的要求； 常温力学性能指标吒和2 等均在标准规定范围内，常温下的伸长率出 现了明显的下降，硬度也有所下降，其中冲击性能下降最严重，n o l 炉 管冲击性能最大值只有8 j ；现场和实验室金相试验中均发现材料球化 明显，并且位于不同位置的炉管球化等级各不相同。在材料高温损伤 分析基础上，进行了高温持久试验，根据试验数据拟合得出了等温线 浙江工业大学硕士学位论文 法和l - m 外推法预测了炉管的剩余寿命公式。分别采用等温线法和l m 外推法对现役炉管进行剩余寿命评估，评估结论为：在6 7 0 。c 操作温度 和2 0 m p a 应力条件下，该批炉管还能服役3 年。 关键词：c r 5 m o 炉管，蠕变，高温损伤，持久强度，剩余寿命 浙江工业大学硕士学位论文 t h em g ht e n e r a t u r ed a m a g ea n a i y s i sa n d r e s i d u a ll i f ef o r e c a s to ft h ec r 5 m oc o k i n g h e a t e rt u b e a bs t r a c t t h ed e l a y e dc o k i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e f i n e r yp r o f e s s i o n ， a n dt h ec o k i n gf u r n a c ei so n eo ft h ek e ye q u i p m e n tt oe n s u r et h el o n gt e r m s t a b l es e r v i c ef o rc o k i n gs y s t e m s b e c a u s et h ec o k i n gf u r n a c eo p e r a t i n g t e m p e r a t u r e i s h i g h ，i t sf u r n a c e t u b em a t e r i a l w i l lh a v em a t e r i a l p e r f o r m a n c ed e g e n e r a t i o np h e n o m e n a u n d e rt h e h i 。g ht e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t ，w h i c h i n c l u d e h i g h - t e m p e r a t u r eo x i d a t i o n 、p e a r l y t e s p h e r o i d i z a t i o na n ds oo n s p e c i a l l yw h e nt h ec o k i n gf u r n a c eo p e r a t i n g p a r a m e t e ri su n s t a b l e ，i tw i l lh a v et h ef u r n a c e t u b es h o r t - t i m ee x c e s s t e m p e r a t u r e ， w h i c hh a v ei n t e n s i f i e dt h ef u r n a c et u b em a t e r i a l d e g e n e r a t i o n ，f u r t h e rr e d u c e df u r n a c et u b e ss e r v i c el i f e t h e r e f o r e t h e d e v e l o p m e n to fh i g h t e m p e r a t u r ef u r n a c ec o k i n gl o s sa n a l y s i s a n dt h e r e s i d u a ll i f ea p p r a i s a lh a v et h ei m p o r t a n tp r o j e c tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ei n t h ee x p l o s i o na c c i d e n tr e g a r d i n gt h ep r e v e n t i o na n dt h ei n s t r u c t i o na c t i v e d u t yf u r n a c et u b er e g u l a rr e p l a c e m e n t 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 t h i sa r t i c l et a k et h ec o k i n gf i l r n a c 七t u b ea st h eo b j e c tw h i c hh a s s e r v i c e df o rn e a r9y e a r s ，t h ef u l t l a c et u b em a t e r i a li sc r 5 m o ，t h i sa r t i c l e a n a l y s e s t h e h i 曲t e m p e r a t u r ed a m a g es i t u a t i o no ft h em a t e r i a l p e r f o r m a n c e ，a n df o r e c a s tt u b er e s i d u a ll i f eo ft h ef u r n a c e s e p a r a t e l yf r o m t h ef i e l di n s p e c t i o na n dt h el a b o r a t o r yt e s tt w oa s p e c t s ，w h i c hc a r r yo n f u r n a c et u b e sw a l lt h i c k n e s se x a m i n a t i o n ，d e g r e eo fh a r d n e s sa n dt h e m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n a n a l y s i s ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e se x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t e da sf o l l o w i n g ：a f t e rs e r v i n g u n d e rt h eh i g ht e m p e r a t u r ef o ral o n gt i m e ，t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h e f u r n a c et u b em e tt h es t a n d a r d ；u n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e s ，t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s 吒、2w e r ew i t h i nt h es t a n d a r dr a n g e ，t h ee l o n g a t i o nr a t i o d r o p p e do b v i o u s l y , a n dt h ed e g r e eo fh a r d n e s sa l s od e c r e a s e d ，t h ei m p a c t p r o p e r t i e sr e d u c e dg r e a t l yt oo n l y8 jf o rt h em a x i m u mv a l u eo fn ol f u r n a c et u b e ；t h es p h e r o i d i z a t i o np h e n o m e n ao ft h em a t e r i a lw a so b v i o u s w h e nb e i n gt e s t e di nf i e l da n da tl a b ，a n dt h er a n ko fs p h e r o i d i z a t i o n l o c a t e da tt h ed i f f e r e n tp o s i t i o n so ff u r n a c et u b e s b a s e do nt h ed a m a g e a n a l y s i so ft h em a t e r i a la tt h eh i g ht e m p e r a t u r e ，t h er e s i d u a ll i f ef o r m u l a e o ff u r n a c et u b e sw e r eg o t t e n 、i t ht h ei s o t h e r m a lm e t h o da n dt h el m e x t r a p o l a t e dm e t h o da f t e ral o n g t e r mt e s t t h e nb yt h e s ef o r m u l a e ，t h e r e s i d u a ll i f eo fs e r v i n gf u r n a c et u b e sc o u l db ec a l c u l a t e d f i n a l l y , t h e e v a l u a t i o nc o n c l u s i o nw a sd r a w na s f o l l o w i n g ：u n d e rt h eo p e r a t i n g t e m p e r a t u r e6 7 0 。c 、a n dt h es t r e s sc o n d i t i o n2 0 m p a ，t h i sb a t c ho ff u r n a c e 划- 浙江工业大学硕士学位论文 t u b e sc o u l db eu s e df o ra tl e a s t3y e a r s k e yw o r d s ：c r s m of u r n a c et u b e ，c r e e p ，h i g ht e m p e r a t u r ed a m a g e ， c r e e ps t r e n g t h ，r e s i d u a ll i f e 浙江工业大学硕士学位论文 主要符号说明 t m 绝对温度表示的熔点 c a裂纹长度 r a k v 冲击功 f ， p计算应力 饥， 4炉管的内直径 e ， 皖炉管的剩余有效壁厚 么、曰 略、而 条件蠕变极限的表达方式 留g 持久强度缺口敏感性 仃 工作应力 环向应力 抗拉强度 吒。弯曲强度 c r o 2 、 屈服强度 l 旷 1 0 万小时持久强度 仃加。2 非比例弯曲应变为0 2 时的最大弯曲应力 o 2 s 、y q r 非比例弯曲应变为0 2 时的最大弯曲力 蠕变速度 蠕变激活能 绝对温度 j 积分速率 气体常数 持久断裂时间 l m 法中的回归系数 剩余误差 等温法中的材料常数 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：磊戈劳oy 一， 日期：埘年r 月刀日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： l 瞎谤 多住 日期涧睥岁月矽日 日期：沙沪年6 月 日 终易厂 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 论文背景及研究意义 第一章绪论 随着炼油行业的不断发展，对石油的需求不断增大。而由于对石油的日益开 采，导致其品质越来越低，比重也越来越大。随着全球石油价格不断攀升，炼油 行业必须挖掘炼油中新的经济增长点，提高自身的竞争能力。当今炼油行业面临 的挑战，是从重质原油生产出洁净的运输用燃料和化工原料。因此，各个国家的 炼油企业都在积极的推广渣油转换技术。由于渣油中重油的含量占大部分，所以 提高渣油的回收率就是提高重油的提炼效率。目前重油加工工艺主要有三种：延 迟焦化、重油催化裂化和渣油加氢。其中延迟焦化工艺是最常用的渣油转换工艺， 延迟焦化装置是炼油企业深度加工重油的重要装置之一，也是衡量工业上加工工 艺成熟状况的一个尺度。 延迟焦化在炼油行业中占有重要地位，因此延迟焦化装置的长周期运行对增 加炼油企业的效益具有十分重要的意义。延迟焦化装置中的主要设备有加热炉、 焦炭塔、分馏塔，其中加热炉是影响焦化装置长期运行的关键设备，它的安全运 转与否直接关系到企业的利益。焦化加热炉( 简称焦化炉) 辐射段炉管的服役条 件十分苛刻，焦化炉炉管的设计温度一般为5 0 0 0 c ，但控制不好就会使炉管的表面 温度达到6 0 0 0 c 以上，如此高温肯定会导致炉管的损伤，甚至导致没有任何迹象的 爆破，不仅会造成严重的人员伤亡，也会给企业造成严重的损失。为了避免上述 情况的发生，很多企业都做了很多预防措施，比如大修时定期更换炉管、设计时 选用更高等级的材料制造炉管，但是，这些措施还不够完善，存在着一定缺点或 者受到一些制约。如更换炉管，它的更换时间的确定，一定是在设备还没有出现 问题的时候，凭一些经验估计，或者根据一些历史先例而制定，制定的依据还不 是十分充分，没有在经济上、技术上给与充分论证，使得相当多还可以继续服役 的炉管被更换，造成不必要的损失，这样虽然取得了安全，但给企业的经济效益 浙江工业大学硕士学位论文 却带来一定的损害。将炉管材料的升级在某种意义上来说是有益的，但是炉管升 级并不能完全解决焦化炉的问题，并且更换费用是十分巨大的，因此做好现役炉 管剩余寿命的预测无论是对安全生产还是节约成本以及充分利用现有条件都是有 重要意义的。鉴于炉管的重要性，国内外学者【卜1 2 】做了大量的研究工作，取得了很 多的研究成果，利用这些成果不仅提高了炉管的利用效率，而且为企业节省了资 金和人力【1 3 1 3 】。 本课题是以某炼化公司提供的材料为c r 5 m o 的焦化炉炉管为研究对象，经现 场检查，发现炉管金相组织有珠光体球化现象。材料的球化现象只能说明材料性 能已有所退化，但还不能作为材料判废的标准。公司从安全生产的角度，需要确 定炉管目前的材料性能、继续使用的安全状况以及剩余寿命，为装置的安全、稳 定运行提供技术支撑，为炉管更换时间和更换数量的确定提供科学依据。 1 2 炉管的高温力学性能 1 2 1 蠕变 1 2 1 1 蠕变现象 金属在长时间高温和恒应力作用下会逐渐产生蠕变。当金属中应力值大于弹 性极限时，金属便会发生塑性变形。应力愈大，塑性变形也愈大。在应力作用下， 随着时间的增加，变形不断增大，但这种变形速度一般都很慢，这种现象我们称 为蠕变【1 9 - 2 2 1 。由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变断裂。蠕变在低温下 也会产生，只是变形量大小的不同，但只有当温度高于o 3t m ( 以绝对温度表示 的熔点) 时才比较显著。 金属材料的蠕变现象，可以用材料在高温下承受一定应力时变形与时间的关 系曲线来表示，称为蠕变曲线。a n d r a d e 指出典型的蠕变曲线可以分作三个阶段， 见图1 1 ： 图l - 2 恒定温度不同应力下的蠕蛐线 ( q 吒 吒 吒) 浙江工业大学硕士学位论文 图1 3 恒定应力不同温度下的蠕变曲线 ( 互 疋 瓦 瓦) 炉管长期在高温应力状态下服役，肯定会产生蠕变断裂，因此炉管一般是 按蠕变断裂理论进行设计的。炉管发生蠕变破坏与使用温度、炉管应力状态、材 料性能、设计条件等密切相关，就是同样材料在相同应力条件下，操作温度升高 5 0 0 c ，可能使蠕变断裂寿命成倍下降；同理，温度不变，应力增加也会使炉管寿 命大幅度的下降。大多数高温炉管都是以设计温度十万小时的断裂应力的下限值 进行设计，但炉子的结构设计、制造安装、工艺操作的平稳程度、腐蚀或渗碳等 都可能直接影响炉管的使用寿命，使实际寿命与设计寿命产生偏差。在使用过程 中，严格控制炉管的温度和压力，减小非正常载荷和冲击，可使炉管的蠕变破坏 程度减弱，延长炉管的使用寿命，但要有效的控制蠕变破坏的产生与发展是很困 难的。近几年来，人们在不断提高材料的高温性能并优化设计，以提高炉管的抗 蠕变能力，从而延长使用寿命，同时科研工作者也在不断探索对炉管蠕变裂纹进 行检查和检测的新技术、新方法，并取的了显著的成就【2 3 ，6 1 。 1 2 1 2 蠕变过程中变形与断裂机理 1 ) 蠕变变形机理【1 9 ，2 0 1 蠕变变形是通过位错滑移、位错攀移形成亚晶及晶界的滑动和迁移等方式实 现的。在高温蠕变条件下，它们对变形的贡献是与常温下有所不同的。 在常温下，若滑移面上位错运动受阻，产生塞积现象，滑移便不能再进行。 但在高温蠕变条件下，由于热激活，就有可能导致滑移面上塞积的位错进行攀移， 形成小角度亚晶界( 即高温回复阶段的多边化) ，塞积群中位错有出、有进，增殖 不停，变形也就不停。从而导致金属材料的交替硬化软化，使滑移继续进行。虽 然对蠕变有贡献的是位错的滑移，但其进行的速度则受攀移过程所控制。 浙江工业大学硕士学位论文 在常温下，晶界变形是极不明显的，可以忽略不计，但在高温蠕变条件下， 由于晶界强度降低，其变形量就很大，有时甚至占总蠕变变形总量的一半，这是 蠕变变形的特点之一。 a a 量) a 图l - 4晶界滑动和迁移示意图 ( a ) a 、b 晶界滑动( b ) b 、c 晶界迁移( c ) a 、c 晶界滑动( d ) a 、b 晶界迁移 晶界变形过程如图1 _ 4 所示。图中表示了a 、b 、c 三个晶粒的相互晶界的滑 动和迁移。若a 、b 晶粒边界产生滑动，如图( a ) ，则在c 晶粒内产生畸变区( 图 中阴影区域) ，随后b 、c 晶粒边界便在垂直方向上向畸变能较高的c 晶粒进行扩 散迁移，如图( b ) ，从而使三晶粒的交会点由1 点移到2 点。这样即可使阴影区 畸变消失，也可使晶界能降低。同样道理b 、c 晶粒界产生滑移，如图( c ) ，可使 新的三个晶粒交会点2 到3 点。这样就完成了三晶交会点由l 点一2 点- - - 3 点韵 浙江工业大学硕士学位论文 移动。由此可见，晶界变形是晶界的滑动和迁移交替进行的过程。晶界的滑动对 变形产生直接的影响，晶界的迁移虽不提供变形量，但它能消除由于晶界滑动而 在晶界附近产生的畸变区，为晶界进一步滑动创造了条件。 下面根据位错理论及蠕变变形方式对高温蠕变的三个过程进行分析说明。 蠕变第一阶段以晶内滑动和晶界滑动方式产生变形。位错刚开始运动时，障 碍较少，蠕变速度较快。随后位错逐渐塞积、位错密度逐渐增大，晶格畸变不断 增加，造成形变强化。在高温下，位错可以通过攀移形成亚晶而产生回复软化， 但位错攀移的驱动力主要来自温度，温度一定，位错攀移速度也就一定。位错滑 移增殖容易而攀移难，即强化容易而软化难。因此，这一阶段的变形强化效应超 过回复软化效应，使蠕变速度不断降低。 蠕变第二阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动 和迁移方式交替进行。晶内位移滑动和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界 迁移则使金属软化。由于软化是扩散过程，受时间限制和主要由温度提供动力。 二阶段受控于软化，即受控于热扩散。 蠕变第三阶段，由于裂纹迅速扩展，为位错塞积群提供减少位错的新途径， 位错攀移外还可以从裂纹处放出自由表面，使塞积群得以松弛加快了软化过 程，使变形加快，蠕变速度加快。当裂纹达到临界尺寸时，便产生蠕变断裂。 2 ) 蠕变断裂机理 蠕变断裂主要是沿晶断裂，在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动引起的应力 集中与空位的扩散起着重要作用。由于应力和温度的不同，裂纹成核有两种类型。 裂纹成核与三晶粒交会处机制：在高应力和较低温度下，在晶粒交会处由 于晶界滑动造成应力集中而产生裂纹。图1 5 表示几种晶界滑动方式所对应的晶界 交会处产生裂纹示意图。这种由晶界滑动所造成的应力集中，若能被晶内变形或 晶界迁移使畸变回复的方式所松弛，则裂纹不易形成，或产生后也不易扩展至断 裂。 空洞汇集于晶界上：在较低应力和较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各 处，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上。这种裂纹成核的过程为：首先由 于晶界滑动在晶界的台阶处受阻而形成空洞。其次由于位错运动和交割产生的大 量空位，为了减少其表面能都向拉伸应力作用的晶界上迁移，当晶界上有空洞时， 空洞便吸收空位而长大，形成裂纹。 6 浙江工业大学硕士学位论文 刁o 图1 5 晶粒交会处因晶界滑动产生裂纹示意图 基于以上两个裂纹成核类型，蠕变断裂的裂纹成核与扩展过程可用图1 - 6 来表 纛奄, a - - ( a ) 形核( b ) 分散长大c o ) “横向裂纹段”的形成 ( d ) “曲折裂纹”的形成( e ) “曲折裂纹”的连接 图1 - 6 蠕变裂纹断裂过程示意图 - 7 - 浙江工业大学硕士学位论文 在蠕变初期，由于晶界滑动在三晶粒交会处形成空洞核心或在晶界台阶处 形成空洞核心，见图( a ) ； 已形成的核心达到一定尺寸后，在应力和空位流的同时作用下，优先在与 拉应力垂直的晶界上分散长大，见图( b ) ； 蠕变的第二阶段后期，楔形和洞形裂纹联接而形成终止于两个相邻的三晶 粒交会处的“横向裂纹段 。此时，在其他与应力相垂直的晶界上，这种“横向裂 纹段相继产生，见图( c ) ； 相邻的“横向裂纹段 通过向倾斜晶界的扩展而形成“曲折裂纹一，裂纹 尺寸迅速扩大，蠕变迅速增加。此时，蠕变过程进入到第三阶段，见图( d ) ； 蠕变的第三阶段后期，“曲折裂纹”进一步连接，当扩展至临界尺寸时， 便产生蠕变断裂，见图( e ) 。 1 2 2 条件蠕变极限 为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要求金属材料具有 一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。 蠕变极限一般有两种表示方法：一种是在给定温度丁和规定时间t 内产生一定 量万的蠕变变形时所能承受的最大应力，以吒表示。或者用在给定温度t 和规定 蠕变速率占时所能承受的最大应力值，以符号盯：表示。实际上这两种表示方法含 占 义是很相近的，它们之间有一定关系。例如，当蠕变速率为l 1 0 一h ，就相当 于1 0 5 小时产生l 的变形量。 1 2 3 持久强度 材料的持久强度是指在给定温度下和限定的时间内断裂时的强度，要求给出 的只是此时所能承受的最大应力【i 蚣0 1 。条件蠕变极限无法确定材料在某一温度及 应力条件下，断裂所需时间以及断裂时材料的总变形量，也无法知道材料在断裂 前的整个蠕变过程，总之条件蠕变不能表示材料在高温条件下的断裂情况。而持 久强度试验不仅反映了材料的高温长期应力作用下的断裂应力，而且还能表明断 裂时的塑性，即持久塑性。因此，仅靠蠕变试验的结果作为设计高温承载元件的 浙江工业大学硕士学位论文 强度依据是不够的，还需要持久强度来作为设计高温承载元件的强度依据。 持久强度试验同蠕变试验相似，但在试验过程中只确定试样的断裂时间。试 样断口形貌依试验条件而异，在高温和低应力下多为沿晶界断裂。根据一般经验 公式认为，当温度不变时，断裂时间与应力两者的对数呈线性关系。据此可用内 插法或外推法求出持久强度极限。为了保证外推结果的可靠性，外推时间一般不 得超过试验时间的l o 倍【2 7 】。 试样断裂后的伸长率和断面收缩率表征金属的持久塑性。若持久塑性过低， 材料在使用过程中便会发生脆断。持久强度缺1 3 敏感性g ，是用在相同断裂条件下 缺口试样与光滑试样两者的持久强度极限的比值表示。缺口敏感性过高时，金属 材料在使用过程中往往过早脆断。持久塑性和持久强度缺口敏感性均为高温金属 材料的重要性能判据。 如何选择条件蠕变极限和持久强度这两个高温性能指标，是根据服役条件来 选择的，如果要求服役零件高温变形不超过允许值，就选用条件蠕变极限作为性 能指标，如果对服役零件不考虑高温条件下变形量的大小，只考虑承受给定应力 下使用寿命，就选用持久强度来作为性能指标。 1 2 4 应力松弛 在金属构件总形变恒定的条件下，由于弹性形变不断转变为塑性形变，从而 使应力不断减小的过程称为应力松弛。这种现象多出现于弹簧、螺栓以及其他压 力配合件，高温下尤为显著。因此，应力松弛试验通常在高温下进行。图1 7 中曲 线第一阶段持续时间较短，应力随时间急剧下降。第二阶段持续时间较长，并趋 于恒定。通常以规定时间后的剩余应力作为金属应力松弛抗力的判据。 浙江工业大学硕士学位论文 磅闾一 图1 7 典型的应力松弛曲线 应力松弛试验可用来确定螺栓联接件在高温下长期使用时保持足够紧固力所 需要的初始应力，预测密封垫密封度的减小、弹簧弹力的降低、预应力混凝土中 钢筋的稳定性，以及判明锻件、铸件和焊接件消除残余应力所需要的热处理条件。 对于用作紧固件的金属材料常在不同温度和不同初始应力下进行应力松弛试验， 以便对其性能有较全面的了解。试验条件对应力松弛试验结果影响显著。控制总 形变量的恒定性和温度的稳定性是保证试验结果有良好重现性的关键。 1 2 5c r 5 m o 炉管高温性能简介 c r 5 m o 钢按其性能属于马氏体型耐热不起皮钢。在5 5 0 0 c 以下有一定的热强 性，在热石油介质中有很好的耐热性和耐蚀性，有良好的冷热加工工艺性能。此 钢一般用于石油工业加热炉炉管、热交换器、钢炉吊架、燃气轮机气缸衬套等， 通常使用温度在6 5 0 0 c 以下。 c r 5 m o 炉管的高温性能见表1 1 ，持久性能见表1 2 【2 引。 表1 - 1c r 5 m o 管高温性能 在下列温度( o c ) 下的强度值，m p a 类型指标 2 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 0 3 5 04 0 0 万s 1 9 61 7 71 6 71 6 21 5 7 1 5 21 4 71 4 2 口l n 5 钢管 4 5 05 0 05 2 05 4 05 5 0 5 6 0 5 8 06 0 0 2 0 r a m 口j 1 3 71 2 7 盯l n s ( 4 7 5 0 c ) 1 4 71 0 88 l6 24 73 52 7 浙江工业大学硕士学位论文 表1 - 2c r 5 m o 钢高温持久极限 试验温度o c4 5 0 4 7 5 5 0 05 2 55 5 05 7 56 0 0 持久极限，o i 舻m p a 1 6 01 2 59 36 95 33 92 7 1 2 6c r 5 m o 炉管的研究现状 c r 5 m o 材料在十年前，国内外的文献中很少对其进行过系统的研究，只是在近 十年才出现系统的研究。有些文献【2 9 3 0 1 的研究相对来说比较系统，但还是有一定 的局限性。在我国对炉管研究比较多的是大连理工大学和华东理工大学，以下是 近十年来有关c r 5 m o 炉管研究的典型文献： 1 9 9 4 年，大连理工大学的王来教授【3 l 】，分析了c r 5 m o 炉管高温长期服役后 的剩余寿命，文章是以在大连石油化学公司服役了1 3 万小时的炉管为研究对象， 运用l m 法对其剩余寿命进行了预测，得出了c r 5 m o 炉管在工作温度5 0 0 0 c 、工作 应力1 0 0 m p a 条件下还能服役8 万小时； 2 0 0 2 年，王领等( 3 2 1 对重整加热炉在服役的c r 5 m o 炉管进行了剩余寿命评 估，此文献是以克拉玛依石油化工厂的重整加热炉炉管为研究对象，炉管于1 9 8 9 年服役，服役l o 年后发现炉管严重弯曲变形，并出现珠光体完全球化的现象，作 者从组织损伤和持久性能两方面预测了炉管的剩余寿命，得出了炉管在正常工况 下还能服役1 0 万小时的预测结果； 2 0 0 4 年，谢守明等1 3 3 1 用f e s d p 系统及z 参数法评定c r 5 m o 钢的剩余寿命， 在这篇文献中重点是提出了z 参数法预测剩余寿命，这种方法是用 p = 2 9 6 0 8 一z 一5 0 8 5i g o r 来表征平行于c r 5 m o 钢持久性能主曲线的曲线族，其中 z = 0 2 0 3 ( e 1 ) 。参数z 表征持久性能退化程度，e 为球化等级。这种预测方法 在实际中应用的还不是很多，有待进一步的研究； 2 0 0 3 年，宋杰【3 0 】对焦化炉材料为c r 5 m o 的炉管进行了比较系统的研究。论 文是以天津石化公司炼油厂延迟焦化装置的炉管为研究对象，这套装置是在1 9 9 9 年服役的，运行一年后发现炉管氧化严重，材料也发生显著退化，因此作者对其 从外观、化学成分、力学性能和金相等分析了损伤程度。做持久试验，利用l m 法 预测了其剩余寿命，结果向火面的炉管在温度6 8 0 0 c 下剩余寿命是5 5 9 0 小时，在 6 5 0 0 c 下是3 3 0 6 1 小时； 从以上的分析我们可以看到，国内对材料为c r 5 m o 的炉管的研究很多还是局 浙江工业大学硕士学位论文 限在依据几年前的经验水平上，剩余寿命的预测基本上还是运用常规的预测方法， 其中l - m 法是应用最多的。 1 2 炉管预测剩余寿命方法的研究现状与进展 最近十几年发展起来的炉管剩余寿命预测方法，归纳起来可以分为两类【3 4 1 ： ( 1 ) 根据运行一段时间后炉管的性能和状态( 如材料的显微结构、持久强度、 蠕变、空洞或裂纹等) ，通过实验建立这些参数和短时持久强度的关系，再利用外 推法确定其在实际温度、应力下的剩余寿命。 ( 2 ) 无损检测方法，如超声波检测裂纹长度、涡流检测渗碳层厚度来评价高 温炉管的剩余寿命。 第一种方法虽然积累了大量的资料，但建立起定量关系的比较少见。第二种 方法是近年来发展起来的，目前只能做粗略的评价，还不能定量的确定炉管的剩 余寿命。 下面介绍一下文献中经常用到或研究的剩余寿命预测方法： 1 3 1l a r s o n - m il e l 参数外推法 两温材科的蠕焚速翠万栏为： 矿= 么e 醑雩丁) 式中：v 蠕变速度，n 以； q 蠕变激活能： 丁一绝对温度，k ： r 气体常数，j m 0 1 k 。 对于持久性而言，假定断裂时间( t r ) 反比于蠕变速度，则 必= a e x p ( 一一 两边取对数 l g = 一l g a l g e x p ( 一丁) l g f ，= 一l g 么+ 雩丁h 1 1 0 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) 浙江工业大学硕士学位论文 由( 1 4 ) 式可知：在应力一定的条件下，持久断裂时间t ，的对数l g t , 与绝对 温度的倒数( 1 t ) 有明显线性关系。 l a r s o n m i l l e r 理论认为：( 1 - 4 ) 式中的常数a 是与材料有关的常数，令 l g a = c ；蠕变激活能q 是与应力有关的函数，( 1 - 4 ) 式化为： t r i n l o ( c + l g t ，) = p ( 1 5 ) 由于r 是气体常数，是一个确切的值，可以把常数r l n l 0 移到等式的右边， 经过简化后的式子一般写成( 1 6 ) 式： t ( c + l g t ，) = p ( 1 6 ) 尸p ) 是一个与应力有关的函数，一般我们用应力对数的多项式进行表达，具 体表达式为( 1 7 ) ： p p ) = 6 l + 6 2l g o - + b 31 9 2t y + + 6 。l g 舻1 仃+ e ， ( 1 - 7 ) 其中：6 l ，吒一回归系数； e j 一剩余误差； 仃一工作应力。 基于( 1 6 ) 式的运算称为l a r s o n m i l l e r 参数外推法，又称l m 法【3 5 。3 7 】。根 据持久试验结果，做出l a r s o n m i l l e r 曲线皿- m 曲线) ，即p ( c r ) 与仃的关系曲线， 用( 1 7 ) 式去拟合尸( 盯) 与仃的关系曲线，求出式中回归系数，然后用求出来的( 1 7 ) 式并结合( 1 6 ) 式可以预测炉管使用温度和应力下的剩余寿命。 函数p 、温度丁及断裂时间r 有一定的函数关系，可以用较高温度、较短断裂 时间的实验得到的数据换算成较低温度、较长时间下的数据，这是使用l m 曲线 的优点。但应指出，低应力、长时间的试验值，对l m 法来说会向下稍微偏离曲 线、需对l m 曲线进行修正，尽管进行修正，外推法的误差总是存在的。另外， 高温下进行低应力长时间试验还会加速碳化物的聚集和氧化，改变材料的组织结 构和性能；而且当裂纹长度超过一定值后，外推精度会大大降低。可见，精确评 价蠕变断裂数据是比较困难的。总之，参数外推法结果相对比较可靠，使用较广 泛。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2k _ d 法持久强度外推模型 这种方法与l a r s o n m i l l e r 参数外推法的理论依据是一样的，只是对1 4 式中 的参数假设不一样。 葛庭隧【2 3 1 认为上面( 1 - 4 ) 式中：蠕变激活能q 是与材料有关的常数，常数4 是 与应力有关的函数。 因此1 4 式变为：p ( 力= l g t , - 丁l i l l o ( 1 - 8 ) 其中：t ，一断裂时间，h ； r 一绝对温度，k ； 足气体常数，j t 0 0 1 k 。 应用电子计算机进行数据处理，可提高外推的准确度。尸b ) 在此称为热强参 数，其常用的表达式与l - m 法中一样，也用应力的对数多项式表达，然后根据持 久试验的数据，求出表达式中的回归系数。这样，就可以由方程计算出在给定温 度、应力下的断裂时间；或给定温度、断裂时间下的应力值。 1 3 3 等温线法 所谓等温线外推法，是指在同一试验温度下，用较高的不同应力进行短期试验 的数据，建立应力和断裂时间的关系，来外推在该试验温度下长期的持久强度值。 当温度恒定时，z 为常数，则有： f o ，仃) = o ( 卜9 ) 即等温线外推法的普遍表达式。当式( 1 - 9 ) 可分离出时间变量时，有： f = f ( 卜1 0 ) 用等温线外推持久强度对大量试验数据进行分析发现，在某一恒定温度下对 材料进行持久强度试验时，试验的断裂时间t ，和应力仃之间存在着一定的关系。 当f 为仃的幂函数时，有： f ，= a c t b ( 卜1 1 ) 当f b ) 为仃的指数函数时，有： 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 t ，= c e 一加 ( 1 - 1 2 ) 式中：r ，一断裂时间，h ； o r 试验应力，肝a ； 彳、b 、c 、d 一与试验温度和材料性质有关的常数。 对上两式( 1 1 1 ) 和( 1 1 2 ) 取对数，有： i g t ，= i g 彳- b l g c r ( 1 - 1 3 ) i g t ，= i g c - d o r l g e ( 卜1 4 ) ( 1 - 1 3 ) 式表明断裂时间t ，的对数值与应力盯的对数值之间呈线性关系，因此 ( 1 - 1 3 ) 式又称双对数外推公式，( 1 - 1 4 ) 式表明断裂时间f ，的对数值与应力仃之 间呈线性关系。 以上等温线外推式中，以双对数外推公式的应用较为普遍。根据同一材料同 一试验温度下不同应力水平的断裂时间数据，可以求得式中材料常数彳、曰的值。 求的彳、曰值后，就可以求得在选定温度下，不同应力条件下的断裂时间，即剩 余寿命。 然而，国内外大量试验数据3 8 4 2 1 表明，在双对数外推公式中，常数彳、曰对 于同一材料在同一温度下由于蠕变断裂机制的改变或由于高温应力下材料的组织 变化而有所变化。在i g t ，- i g o r 坐标图上，试验点并不总是成直线分布的，而是落 在一条带有转折的曲线上。而这种转折往往难以预测。在一定温度下，有的钢种 在数百小时就发生转折，有的钢种在几千到一万小时才发生转折，而有的钢种在 数万小时尚未发生转折。 由于在等温线法外推过程中有不可预测的曲线转折现象，即使试验获得的短 期数据之间线性关系很好，也无法预计外推区的可靠，因为如果进行更长时间的 试验，试验点并不按照直线分布而出现转折，那么直线外推性能结果就偏高了。 从而出现了增加最长试验点的持续时间及改变外推系数的趋势。美国a s t me - 1 3 9 等有关标准明确规定外推系数不能大于3 ，这就增加了采用等温线法进行长时外推 的困难。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 4 空洞面积率法 连续损伤力学中损伤变量d 通常被认为是由于缺陷存在而引起的有效截面的 减少。对于高温多晶合金的蠕变损伤，晶界空洞是其中最主要的破坏源，因为蠕 变断裂是由于晶界侧面空洞的成核( c a v i t yn u c l e a t i o n ) 、生长( g r o w t h ) 和连接破坏 ( c a v i t yc o a l e s c e n c ea n dc r e e pr u p t u r e ) 发生的，表3 说明了3 种形态下与寿命的关 系。 表3 空洞形式所对应的寿命分数 寿命分数 0 - o 8o 8 1 o 成核和生长连接破坏 空洞形式 c a v i t yn u c l e a t i o na n dg r o w t hc a v i t yc o a l e s c e n c ea n dc r e e pr u p t u r e 上述只是定性分析了空洞形式与寿命的关系，不能定量的分析，因此空洞晶 界侧面上的面积分数成为确定损伤状态的最佳物理参数。蠕变损伤状态的量化必 须建立空洞面积分数与损伤量d 的关系。以此为理论基础，提出了几种金相参数 评估其空洞损伤状态，空洞面积率就是其中目前应用比较广泛的一种方法。 笠原晃明【4 3 】建立了空洞面积率与残余寿命之间的对应关系，把用空洞面积率 来研究炉管失效发展成为定量估算残余寿命的方法。笠原晃明认为：空洞的产生和 成长是炉管蠕变第三阶段最重要的特征，而空洞的面积率是最好的指标。一些文 献1 4 3 1 中利用空洞面积率法预测了h k 4 0 钢的剩余寿命。 对此，有些研究者1 4 4 - 4 7 】认为：用空洞面积率来评述材料损伤是不严格的，因为 有裂纹的部位，空洞率不一定高，而用空洞形态和分布特征更能反映材料的蠕变 损伤程度。另外一些研究者在剖析工作中发现：空洞面积率与蠕变持久寿命及微裂 纹的多少并无明显规律。b a h a a 等人 4 6 j 对离心铸造h k 4 0 炉管进行蠕变断裂研究认 为：稳态蠕变阶段空洞的形成数量随蠕变时间的延长而增加，此时裂纹数量也增加： 在蠕变第三阶段之初这些空洞连接，趋向生成裂纹，空洞数反而减少，裂纹数量 仍然增加。所以，利用空洞面积率研究高温失效仅适用于蠕变第三阶段之前，而 且还要很好地解决定量的精确度问题。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 5 断裂力学方法 裂纹是最终决定炉管寿命的重要因素，而且蠕变裂纹扩展占据炉管总寿命的 一半以上。研究表明：参量c 是一些炉管材料蠕变裂纹扩展的控制参数。蠕变是时 间的相关过程。处于平面应变状态下的炉管，裂纹扩展速率d a d t ( m m h ) 与 c ( j m 2 h ) 之间关系为： 砌前= a c o 盯 ( 1 1 5 ) 其中 彳一常数； c _ j 积分速率。 对( 1 - 1 5 ) 式进行积分可得到裂纹长度a 与寿命r 的关系是蠕变和时间的相关 过程。这种方法从断裂力学的角度出发，综合考虑了炉管的当前性能及裂纹的扩 展，比较客观地反映了炉管破坏的过程【2 3 1 。c 法有大量蠕变断裂扩展工作的基础， 寿命预测精度比较高。 1 3 6 多元回归方法 多元回归方法【1 4 1 以持久强度外推模型为基础，考虑了材料组织因素的作用， 是利用回归数学模型及回归方程建立起来的一种寿命预测方法。 这