（化工过程机械专业论文）乙烯裂解炉炉管延寿的焊接修复技术研究.pdf

作者声明 我郑煎声明：本人恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论 文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的结果。除文中 餐确注饔秽萼 鼹豹内容努，本论文不包含任何麓人已经发表袋揆写过魏 内容。论文为本人亲自撰写，并对所写内容负责。 2 0 0 4 年1 1 胃2 2 园 摘要 在乙烯装置中裂解炉为其关键设备，而裂解炉的辐射段炉管由于承受严苛的 温度和腐蚀条件成为设备维修的重点问题。炉管使用一段时间后，在温度较高部 位翁臻馋穆寝疆显较其它勰位严重，毯遮荠不意嚷饕炉管整体郝穗达爨投废懿程 度，所以如能考虑实际损伤分布状况，仅更换部分损坏的管段，将是节约维修费 用的有效手段。 炉管的可烬性、谬笺糜量黎可靠魏与炉管缓绥憋擐恢程度骞密凌兹关系，嚣 硬度与炉管的损伤也有一定的耜关性。但是目前对遂些关系还漱乏定量的试验和 理论的研究，使得实践中常常发生不断返工和重新选择修复部位的问题。为了解 决这一问题，本文设计了炉管可焊接性试验的台架，通过对不同目匿役年限炉管虼 大量舜接试验、金相分耩、常规辊械悭能和蠕变试簸，研究了鼹役炉警豹霹焊缝， 寻找其影响因素及影响规律，建立了受损炉管可焊性的快速判断方法以及相关的 焊接修复的工艺，所得主要结论如下： ( i ) 为了对强场 g 炉管与瑟炉罄邂行浮接抗裂试验，本疆究设诗了炉管可 焊接性试验装置，给焊按工艺改进提供了重要的试骏手段。试验旋明该装置能较 好地再现服役炉管现场焊接的开裂情况。这种拘束条件较实际情况苛刻，保证了 试验谔徐翡安全往。 ( 2 ) 为了定量评价服役炉管的损伤状况，便于评价炉管可焊性，参照前人 研究工作并结合工程实际，本研究将裂解炉服役炉铃的损伤分成8 个不同级别， 提供了臻傍分类评馀秘掰魏攥。 ( 3 ) 金相分析发现：经焊接试验后，开裂炉管内部大多已出现严重内部损 伤，产生了孔洞或微裂纹。内部裂纹在损伤晶界或缺陷部位启裂，断口多为脆性 叛襞。试验表弭当损伤级戮大于4 时，开裂几率璜嬲，谖明麓辫溺难。 ( 4 ) 谶度值与损伤镣级有租昭的相关性，硬度德升高损伤等级呈升高趋势； 硬度值( 相皮损伤等级4 0 ) 小于h b 2 2 3 或h r c l 5 4 ，可作为快速修复判断的一 个筛选参考蘧。 ( 5 ) 采用本文焊接修复工艺得劐的焊接接头，在常温下焊缝强度高于母孛才； 在高温下烯缝瞬时强度和持久强度亦都高于母材，说明此焊接工艺是可行的。 美键谲：可焊性乙烯裂瓣炉炉管延寿损伤渗碳蠕变断裂 a b s t r a c t i nt h ee t h y l e n ep r o d u c t i o nu n i tt h ec r a c k i n gf i w n a c ei so t l eo ft h ek e y e q u i p m e n t p a r t i c u l a r l yt h et u b e si nt h er a d i a n ts e c t i o no ft h ef u r n a c es u b j e c t e dt 。s e v e r e t e m p e r a t u r ea n d c o r r o s i o nc o n d i t i o na r et h em a j o rp a r t so f e o n c e r ni nt h em a i n t e n a n c e a f t e rs e r v i c e df o rc e r t a i nt i m ep e r i o d ，t h ef u r n a c et u b e sm a ya c q u i r em o r ed a m a g ei n t h ep a r to fh i g h e rt e m p e r a t u r e ，w h i c hl e a d st ot h ep r e m a t u r ef a i l u r eo faf u m a c et u b e ， h o w e v e lt h i sd o e sn o tm e a nt h a tt h ew h o l et u b es h o u l db ed i s c a r d e d i fo n ec a n i d e n t i f yt h em o s td a m a g e dp a r ta n dr e p a i rt h et u b et o c a l l nas i g n i f i c a n ts a v i n go f m a i n t e n a n c ec o s tc o u l db ee x p e c t e d t h ew e l d a b i l i t y , r e p a i rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo faf u m a c et u b e b e a r c l o s e d r e l a t i o nt ot h ea c c u m u l a t e dd a m a g ea tm i c r o s c a e c e r t a i nc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e h a r d n e s sa n dd a m a g ec o u l da l s ob ef o u n d n e v e r t h e l e s sr e l o c a t i o no fd a m a g ep a r t s a n dr e p e a t e dr e p a i r sh a v eb e e nt h ec o m m o np r a c t i c ed u et ol a c ko fs u p p o r to f q u a n t i t a t i v er e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s i no r d e rt oc h a l l e n g et h ed i f f i c u l t i e s t h ep r e s e n t t h e s i sd e s i g n e daw e l d a b i l i t yt e s t r i g f o rt h et u b e s a i m i n ga t c l a r i f y i n g t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h ew e l d a b i l i t y , c o n s i d e r a b l ew e l d i n gt e s t s ，m e t a l l o g r a p h i c a l a n a l y s i s ，g e n e r a lm e c h a n i c a lt e s t s a n dc r e e pt e s t sh a v e b e e np e r f o r m e do nt h e r e p a i r - w e l d e dt u b e sr e m o v e df r o mt h es e r v i c ea td i f f e r e n tu s e dp e r i o d s ，ar a p i d a s s e s s m e n tm e t h o da n dc o r r e s p o n d i n gr e p a i r t e c h n o l o g yh a v eb e e np r o p o s e d t h e m a j o rc o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h er e s e a r c ha r eg i v e na sf o l l o w s ： ( 1 ) t os t u d yt h ec r a c k i n gt e n d e n c yo ft h ew e l d e dj o i n t so fa g e i n gf i l m a c et u b e a n dn e wf u r n a c et u b e , t h ep r e s e n tw o r kd e s i g n e daw e l d a b i l i t yt e s tr i gf o rt h ef i l m a e e t u b e s w h i c hp r o v i d e s 曩ni m p o r t a n tt o o lf o ri m p r o v i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s w e l d i n g t e s t ss h o wt h et u b ec r a c k i n gm o d ei np r a c t i c ec a nb ew e l lr e p r o d u c e d 帕ec o n s t r m n t p r o d u c e di nt h et e s t i sm o r es e v e r et h a nt h a to fo n s i t ew e l d i n gw h i c he n s u r e sa c o n s e r v a t i v ea s s e s s m e n t ( 2 ) i no r d e rt oa s s e s s 也ed a m a g ec o n d i t i o no ft h et u b e sa n do b t a i nac o r r e l a t i o n w i t hw e l d a b i l i t y , t h ep r e s e n tw o r kc l a s s i f i e dt h ed a m a g ei n t o8r a n k so nt h eb a s i so f p r e v i o u sr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e ( 3 ) m e t a l l o g r a p h i c a la n a l y s i sr e v e a l st h a tt h ec r a c k e dt u b e sa f t e rw e l d i n gt e s t e x p e r i e n c e ds i g n i f i c a n td a m a g ei ns e r v i c e i n t e r n a lc a v i t i e sa n dm i c r o c r a c k sa p p e a r e d g e n e r a l l yb r i t t l e t h ew e l d i n gt e s t ss h o wt h a tt h ec r a c k i n gt e n d e n c yi si n c r e a s e dw h e n t h ed a m a g er a n ki sh i g h e rt h a n4 。 ( 4 ) ar o u g hc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eh a r d n e s sa n dd a m a g er a n ki so b m i n e d t h e h a r d n e s si si n c r e a s e da st h ed a m a g er a n ki sr a i s e d ah a r d n e s ss m a l l e rt h a nh b 2 2 3o r h r c l 5 。4 ( d a m a g er a n ks m a l l e rt h a n4 ) i se s s e n t i a lt oe n s u d gt h ew e l d a b i l i t ya n dc a l l b eu s e da sac r i t e r i o nf o rr a p i da s s e s s m e n to f w e l d a b i l i t yi np r a c t i c e ( s ) t h er e p a i r e dw e l d sh a v eah i g h e rs t r e n g t ht h a nt h ep a r e n tm e t a li na m b i e n t t e m p e r a t u r e ah i g h e ri n s t a n t a n e o u sh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dah i g h c rc r e e p s t r e n g t ht h a nt h ep a r e n tm e t a lh a v eb e e no b t a i n e dw h i c hv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo f t h e p r o p o s e dw e l d i n gp r o c e d u r e k e y v v o r d s ：w e l d a b i l i t y , e t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c e ，f u r n a c et u b e ，l i f ee x t e n s i o n 。d a m a g e ， c a r b u r i z a t i o n ，c r e e pf r a c t u r e n i 第一章绪论 1 1 乙烯裂解炉现状 我国乙烯工业起步予6 0 年代，那瓣生产发展缓慢，除了1 9 6 4 年从原西德g l 迸鲁齐公司的砂子炉原濑裂解技术双年产3 6 万魄乙烯装置矫，一赢处予鼹模小、 技术落后的状况。到了7 0 年代初期，陆续引进一批技术先进、规模较大的乙烯 装置，才使落后鲍恧貌褥以改积。7 0 年代扔期先后建成了年产3 0 万踺、l1 5 万 缱和7 3 万吨的乙精装甏。8 0 年代裙麓又引送一套酝东一韦裁鞭特公司( s 。w ) 年产3 0 万吨乙烯装置，届又引进三套格姆斯公司的3 0 万吨乙烯装置于8 0 年代 后期建成【1 1 。 就材料两言，高温离心铸造炉管军已广泛瘟趱予石涵化工厂秘转讫势、鞠热 炉管和裂解炉。7 0 年代和8 0 年代，裂解炉管的工作温度在8 0 0 * 9 0 0 。c ，主要材 屣为h k 4 0 ，它适合1 0 0 0 以下黔工l 乍环境。丽到了9 0 年代炉铃的工作温度提 高到1 0 鞠，这辩开始掰h p n b 代替h k 4 0 ，它的最裔使蘑温度可达1 l ”j 。 在我国，仪转化炉管在役用量已超过伍仟吨，其平均年更新费用融超过四仟万元 f “。依据美国石油学会推荐使用规程a p l 5 3 0 ，转化炉管的设计寿念为l o 万小时 ( 鄄1 1 4 年) ，正常检修瘸襄为l 一3 年，两实际黻缀寿命，由予绦 乍条俘霸毒| 搴荨 特性的差异，往往在3 1 5 万小时左右 3 1 。据统计目前平均寿命仅为4 5 万小时 ( 4 5 5 7 年) ，有时甚懋蹬现更短拜寸阕鲍早期断裂 4 1 。虽然炉管设计使用6 t 0 年，但谗多工业管在使掰期间会过热，或处理不当，这些炉营常常使瘸不久稔不 得不更换【引。另外许多工厂炉子的关键部件已达到或即将达到设计寿命。 出于全炉管静更换赞照赢和资金短缺，所以，选择适宜的炉繁更换对间以获 取最大的经济效盏，郎对在役炉管莉氽寿命的译估，已成为炉管馕愆厂家高度关 注的问题；此外，对于严蘑损伤的炉管在正常操作条件下能否安全使用到下一个 计划停车检修时间，也成为使用单位的焦点问题。 扬子石纯公司4 5 万魄年乙烯装餐裂解炉共有1 0 台，其中8 台s r t - i i i 塑裂 解炉为4 5 万吨乙烯装置的核心设备，采用美国l u m m u s 公司专利，由日本东洋 工程公司设计总承包。辐射炉管在辐射塞内蟓六缀炉管呈一字形潦窿布置在炉艨 中央，顶郝滋e l 管穿过妒顶经一y 楚管与疲热锅炉直接稻连，麓它炉管穿适炉 第一章绪论 i i i i i i i ii i i i i i 顶悬糖在转动弹簧吊架上，炉管底部有导向管擒入炉底板上导向槽。经对流段预 热并加入稀释蒸汽后的裂解料进入辐射段，裂解反应在第四程的崽径1 5 9 r a m 炉 管中进行。每二组炉管内的裂解气合二为一，邀入一台废热锅炉后进入急冷器。 主要分艨为烃类、蒸汽。簿，j 、缀炉管为1 4 蔽，鼹小缀对稔簿列合为一太缝，摇 圈1 1 掰示。不过每台裂解炉中炉管报数的组合并不完全耜丽，但蘩本组台规律 是样的。 翻1 1 裂解炉炉管布鼍示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cs h o wo fa r r a n g e m e n to f c r a c k i n gf u r n a c et u b e s 狂z 烯装置中，裂解炉为乙烯设备中的关键设备，而裂解炉的辐射段炉管则 为重中之黧。每叁裂解炉终毒害户管4 8 7 2 根志在。炉营蕊矮一段时阗嚣，靠近 火嘴部位( 比如，下部炉管) 以及迎火瑟，妒管的擐伤程度骥显较冀它部经严重， 应当及时更换。一般讲整根炉管更换费用大约8 l o 万元，如果更换炉中每根管 子，则锶台炉子的更换费用就近4 0 0 6 0 0 万冗，其费用是可观的。宓际上每根 炉管并a # 蹙体都已达到报城的程度，焉只是炉管髓郝分管段失效。所以如能考虑 | 鏊管豹遮嵇猜嚣，更换鄂分矮坏豹警羧，穆楚节餐维簦费震豹寿效手段。 在擞换旧炉管时，需进行新管与旧管焊接，而焊后在旧管一侧很易开裂，这 就影响了焊接修复。而且一般还不清楚，旧管损伤到何种程度不可焊接? 由此可 2 觅，逶学妒綮孝葶矮及霹接瞧分揖，对撵蔫沪管挥接蔟蘩，僳涯爱解麦蠡长瘸辩遮行， 具有十分熏甏的意义。 1 。2 炉管工况 垂8 7 每7 胃乙溪裂磐炉授慈以袋，裂瓣炉褒辩敬炉管嚣弯麴( 主要骚透) 、 裂纹等原因更换炉管约3 0 0 根，夜炉管更换焊接中，群接接头旧炉管侧极翁产生 热裂纹。本项目利用9 9 年7 月大修期间，从烯烃厂现场取回服役过的不同年代 的炉管，基本情况如表1 1 所示。s r i i i 型裂解炉的设计参数和辐射炉管设计参 数见表1 2 取裘t - 3 嘲。 表l - l 强炉蓉鼹役状嚣( 蘸始壹径都为零1 5 9 炉管) 1 h b 1 1a c t i v es t a t u so f o l df u b e et u b e s 编号 开始使用年月 服役管龄 管龄( 1 1 r ) 说明 2 1 79 2 0 67 年1 个月6 2 0 4 02 号炉第1 组篇7 根 5 4 89 3 1 15 年8 个月4 9 5 6 05 号炉第4 组第8 根 2 1 89 4 0 65 年1 个月4 4 5 2 02 号炉第1 组第8 搬 6 2 7舛0 94 霉1 0 令秀4 2 2 4 06 号炉第2 缓篱7 羧 6 3 89 4 l l4 年8 个胃4 0 8 0 06 号炉第3 组第8 椴 6 3 79 5 0 24 年5 个月3 8 6 4 06 号炉第3 组第7 根 6 4 89 5 0 24 年5 个月3 8 6 4 06 号炉第3 组第8 根 6 4 79 5 l o3 年9 个月3 2 7 6 06 号炉第4 组第7 根 6 2 8 9 8 0 3 i 4 个月 1 1 6 4 06 号炉第2 组第8 檄 1 8 89 6 0 14 年3 个月8 9 7 62 0 0 0 年5 其 表i - 2s r t - i i i 型裂解妻声设计参数 序母项目黪数 l 原料预热段入口温度( ) 6 0 2 辐射段入口温度( ) 5 7 6 3 辐射段入翻愿力( m p a ) o 。2 2 4 辐嚣段爨西滚菠( ) 8 0 2 5 辐射段出口瓣力( m p a ) o1 0 8 6辐射炉管外壤温度( ) m a x l l 0 0 7 反应停留时间( s e e ) 0 3 7 8 8 运转周期( d a y ) 4 5 9 介痰 鬻压、减压柴油，乙烷 第一章绪论 | 董i i i i i i ii i , , i ,i,hi! i , i l l l , 女拦! ! ! ! ! ! 舅 表i 3s r t - 型裂解炉辐射管设计参数 t a b 1 - 3p a r a m e t e rd e s i g no fr a d i a nt u b e so f c r a c k i n gf u r n a c es r t - i i i 瞥炉管规格炉管长度受热设计设计设计 部位数 ( r a m )( m m ) 厕积压力 温艘 寿命 鼎郧 ( m 2 )( i v w a ) f ) ( h ) 第露 2 4 零7 6 ，2 ( 7 6 ) 6 。4 ( 6 ) 1 3 7 5 2 1 3 5 4 17 6 5 第二穰 1 2审1 0 1 。6 ( 1 0 2 8 ) 6 。4 ( 7 )1 2 2 2 8 1 2 4 4 85 3 1o 21 0 6 1 ，5 0 0 0 0 0 第三稔 6 中1 5 9 ( 1 6 2 ) 6 4 ( 8 ) 1 2 7 5 08 5 3 第四程 6 o1 5 9 ( 1 6 2 ) x 6 4 ( 8 ) 1 4 9 0 1 注：括号f _ l ；f 尺寸为四川化机厂生产的炉管 1 3 妒管毒| 质 裂解管是乙烯裂解炉的童三要部件，因其处于商温和渗碳环境中工作，故要求 高的抗渗碳性能；好的高温蠕变断裂性能：高的抗热疲劳性能；好的抗氧化、耐 腐蚀性能；良好的导热性能；好的铸造、焊接恍熊( 1 1 。此外，还应具有成本低、 易铸造秘滓接等优点；嚣懿裂鳃炉管爱静均楚掰热镶，其中典型瓣糕楚h k 4 0 和 h p 系到。一般设计寿命在l o 年左右，两实际上霞渗碳帮各静热应力的影响，往 往会发生过早损伤吐 浚公司烯烃厂裂解炉辐射段目前所用炉管为日本久保田公司的k h r 3 5 c w 及四川化枫厂的z g 4 c r 2 5 n i 3 5 w n b ( 通称h p 4 0 n b ) ，均为奥氏体型_ 耐热钢离心 铸遥妒餐，其畜受虹静高溪狡襞，瑟耱纯学藏分及祝簸瞧爱煲。表i - 4 霹表i - 5 阐。 表i - 4h p 4 0 n b 炉管的化学成分 6 lw t t a b 1 - 4c h e r o i c a lc o n s t i t u t i o nf u m a c et u b eh p 4 0 n bw t 牌号 cs im nsp c r , n in bwm o k h l 0 3 5 c w0 41 5 2 43 4 1 1 0 5 0 3 0 52 ，01 5& 0 4o 0 42 83 71 71 5o 8 荔g疆3 71 5 嚣3 4 l 奄 4 c r 2 5 i 4 i 3 5 飘7 n b 奄4 52 。01 50 0 0 3 ，2 s3 7q 0o 8 0 5 袭1 - 5h p 4 0 n b 妒管的机械性能州 t a b 1 5m e c h a n i c a lc h a r a c t e ro f f u m a c et u b e sh p 4 0 n b 常温( m p a ) d s 1 0 0 0 ( m p a ) 牌号 o - bg 0 2 ( ) o b0 , 2 k 蕊5 c w5 3 92 6 41 29 85 4 z g 4 c r 2 5 n i 3 5 w n b 4 4 82 4 2 葶4 - 6 9 63 2 离心铸造h p - n b 高温台盒作为一种抗高温、耐高压和腐蚀的寄才料，含有较 高的c ，n i ，c r 等元素和强碳化物元素n b 。 4 h p 4 0 n b 新炉管的原始铸态组织为奥氏体+ 骨架状共晶碳化物，如图l - 2 所 示。由于铸造条件为非平衡凝固，其碳化物除m 2 3 c 6 外，还有m 7 c 3 和一定数量 的n b c 。不过共晶碳化物为m 7 c 3 和n b c ，晶界碳化物一般呈连续的骨架状。在 1 0 5 0 志右菠震野，m 7 c 3 穆转交为m 2 3 c 6 弱乎簿态缓缀。 嘲1 - 2 新管材金相组织x 3 0 0 f i gl * 2m e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo f n e wt u b e s 1 4 纛爝裂艇炉管损伤的疆究状琵 1 4 。1 失效情况 日本对乙烯裂解炉炉管失效情况调查的统计结果表盟( 表1 - 6 ) ，裂解炉管 损坏的主疆原因是渗碳和渗碳开裂，约占总损坏数量的一半。我国各乙烯厂的裂 解炉管墩郝豳现了渗碳，蠢的厂峦于渗碳已经遗贼裂艇炉管开裂嘲。 表i - 6 襞解炉营失魏谤嚣统计( 霾本 t a b 1 - 6f a i l u r cs t a t i s t i c so f c r a c kf u r n a c et u b e s ( j 印a n ) 失效件数及所占比例 失效形式 炉管的直段炉管的弯头 渗碳 4 92 2 o0 渗碳开裂 6 02 7 l3 。5 弯兹 2 31 0 08 鼗簌 3 21 5 oo 蠕变开裂 l o4 5 93 1 热疲劳开裂 2 09 1 44 8 热冲击开裂 2 4 1 1 l3 5 未知开裂 2l 27 氧崧二 0o l3 5 瓿簸浸镶 80 l 3 5 其他 1o ，5 0 o 总计 2 2 11 0 0 2 9 1 0 0 我圈大庆石化总厂1 9 8 8 年度乙烯装置大检修期间，在修复炉管焊接时发现 第一章籍论 了大璧裂纹。裂纹发生在热影响区，其方向与焊缝纵向一致，且是贯穿性的p j 。 因而需要对炉管更换或修复，从更换或修簸的角度看有两方面原因：一方面 由于生产过程中反应器内爨渗碳，管壁温度的缀常变化和反应器内气体的强烈冲 霉l j 终瓣，露捷反应器在麓采这裂设诗毒鑫之g 裁发生严重损臻帮破坏，另一方瑟 一些袈解炉扶安装到现在，裂解炉管己达刭或接近其设计寿命，细邋年来已陆续 出现裂解炉损坏的例子。 1 4 。2 妒簿渗碳 渗璇楚稽簇氢纯舍携程妒管内表瑟分瓣彩蔽懿碳嚣子进入含爱并岗内部扩 散，避而形成碳化物的过瑕。渗碳热力学和动力举取决于原料和反威气的组成与 温度。原料气的碳势和温度越高则渗碳越严重。如乙烷炉原料气中水蒸气和碳氢 化合物之比为0 3 ，而乙烯炉原料气中水蒸气和碳氯化合物之比为o 7 5 。水蒸气 为怼骧气，其含量越裹越不荔渗碳。另一方程，乙演炉标准分解激渡为8 6 0 c ， 丽乙烯为8 0 04 c ，这也使褥乙娩炉管眈乙烯妻户管燹易渗碳 9 1 。 强渗碳时阈较短或者媳温度较低而时间较长的合金中，在析出的碳化物周围 有宽窄不同的“无析出带”戏称贫铬区存在。假高温长时间渗碳后，碳化物周围 这个区域缀小，或不巍被黢察到。渗碳褥出物不仅有m e 2 3 c 6 ，蠢且还褒m e 7 c 3 存在。 结焦和渗碳与选材的关系：原料和产物中均食有乙烷及芳烃类物质，故结焦 不可避免。结焦只是为渗碳掇供了介质，是否渗碳还要看使用温皮。实验表明， 目前使用的材料在9 5 0 c 以。f 很少发生渗碳【1 0 l 。因此在此条件下操作的裂解管， 主要考藤孀交往能帮挠熬疲劳淫麓霹可。 按渗碳程度分为，炉管轻度渗碳( 渗碳蘑艨o 8 m m 以下) ：中艨渗碳( 渗碳 氧化层厚l 2 2 r a m ) ；严重渗碳( 渗碳氧化层厚2 5 m m 以上) ，坡跚裂纹检出率 达2 0 以上i 1 。 裂躲妒管的使餍在管璧濑度低于9 4 0 c 辩，渗碳现象不严重，桨厂运雩亍多年 更换缎穆率镄攫纛。毽在9 8 2 c 嚣于，渗碳疆显壤热，至( 0 9 3 c 对，渗缀更严妻溺， 如图l - 3 所示。 6 9 5 01 0 5 0 1 1 s o 。c ij1。，。j，i，。j 8 0 0 9 0 02 0 0 a2 1 0 。6 f t e m p e r a t u r e 强1 - 3 渗碳垂与溢瘥关系”8 f i g 1 - 3d e p e n d e n c eo f c a r b u r i z a t i o no nt e m p e r a t u r e 渗碳对材料性能的影响大致可以归纳如下： 因为在渗碳层中形成了大量的m 7 c 3 型碳化物，该碳化物的密度为6 ，9 5 ，低 于奥氏钵懿密浚，联强该骧纯掳豹 零积分数越大，渗碳臻兹体积澎胀藏越严鬟 2 1 。 越靠运裘磷，渗碳层越厚，热膨簇系数越低。赉予热膨胀系数在渗磁秘非渗 碳层内存在较大差异，必然沿管瓞径向产生一系列附加成力 2 1 。 渗碳对炉管材料抗拉性能的影响：渗碳后，试骏材料的室温强度变化不大， 塑性下降，9 5 0 高温强度有所撮离，两塑性则下降。金相分拆表明，渗磷后碳 讫貔大量辑爨，羰讫糍与基落强震蠡冬不嗣导致了溪移炎彤静不蛰调，苁丽镄裂纹 易沿着碳化物舆氏体界面萌生及扩展，降低了材料的魍性舛i 。 渗碳对持久性能的影响：渗碳后各种钢持久强度均有所提高，持久翔性变化 不一。h k 4 0 改良型持久塑性下降十分明显，b s t 和h p 斗n b + w 则没有下降。金 耪磐辑表臻，h k 4 0 竣受型显擞缀缓羹薅为囊氏薅，冀分奄蓍晶雾霹款羰纯物 及晶虑点状磺他锈，裂纹在磺纯物与炎氏体螽赛楚形竣，渗碳后碳纯秘密度蹭藏， 且网状程度加剧，裂纹形核机率增大，塑性下降：b s t 渗碳前晶内、晶界均以块 -暑oh墨coe4口o葛史口兰 第一辛绪论 状、岛状为主，未发现网络状分布的碳化物，困她渗碳后塑性未下降：h p + n b + w 由于具肖较好的抗渗碳性能，渗碳层薄，因而对嫩性的影响小f 4 j 。 渗碳对热疲劳性能的影响：渗碳后炉管材料热疲劳抗力明显下降，表现为裂 纹羲生髑次降诋，裂纹扩麓速率髦大。金提分毒孽褒明，热疲劳裂纹慈楚在技鑫闻 或奥鬣俸晶界处萌生，裂纹扩展剐是沿晶稆穿菇瀚混合。渗碳螽瑗仡物数量增翅， 相应增加了裂纹形核机率。经扫描电镜观察，渗碳前热疲劳断口形貌为穿晶断裂， 局部有龟裂；渗碳后断口形貌为沿晶断裂，并有大爨二次裂纹，韧衡带减少。渗 碳层深魔对热疲劳有显著影响，随渗碳层深度鹃加深，开裂的热循环周次下降。 渗瑗导致季葶秘豹热疲劳莸力。f 簿，可藐是导致妒繁莩襄失效鼓主要黎耀”。 文献 1 0 、1 4 1 都表明，袭面状态影响合金抗渗碳性：炉管内表磷的光滑程度 不仅影响液体阻力，疏松和糨糙的表面还易于碳的积聚。对于离心浇铸的炉管内 表面是铸态原始疏松多孔的，渗碳气氛扩散进入孔内会形成死气，促使析碳，从 瑟趣逮合众炉管茨渗酸，瓣藏炉管蠹壁必绣经避壤缓麴工，或经过徽燕讫处理， 使管内麓的褪糙度 2 0 0 r m s ，最好在1 0 0 5 0 r m s 范围肉，甄经济、教聚又好。 管壁不墩过厚以9 m m 以下为好，因为用于炉辫的材料均为高合余钢，其导热 性能较麓，温差应力则随壁脬的增加而加大。 渗碳逑成炉管发生扇圆变形。裂解炉管在使用的后期往往出现崩圆，主要是 蠹予渗辕楚不鹭匈翡，鸯熬魏方簿，有匏建方薄，甚至有些邦霞象形成渗谈瑟。 由于渗碳部分塑性差，而非渗层塑性相对较高，所以在使用中发生蠕胀时，未渗 部分可能变形大，故有可能形成扁圆。所以扁圆施往是由于发生渗碳，且渗碳在 圆周上分布不均匀所至1 2 j 。 爱蹙萃妒管，蒋爨是出嗣繁，往茳会有鼓滕变璐或嚣节凝。该状态与渗碳没有 发现麓黩豹对应关系，值渗碳在辘向的不均匀楚产生前节状的原因之一。由于渗 碳使嵩濑勰性降低，渗碳部饿发生蠕胀的程度碱小，未渗碳圆周上膨胀严重。另 外，可能还由于结焦而使导热系数降低，管壁温艘升高，蠕变加重有关，特别是， 当结焦在辘向上不均匀时裁会产生这静现象口j 。 一j | 曼滋寒，在较筠匀熬滚菠珐中，均匀工佟疲力导致翡蠕簇嚣较大。乙矮裂 解管内聪不高，很少发生均匀蠕胀。炉管在同一截面上受热显著不均匀时产生局 部鼓胀，形成不规则椭圆变形。鼓胀固然可由一次不均匀加热引发，但多属周期 硕士学 主论交 性不均匀加热造成，所以数胀损伤性质应属于热机械疲劳或热应力减势。实验表 明，鼓胀段性能变坏：强度降低，塑性变差；凭论效包侧或正常侧，蕻塑性均不 足新管性能指标的1 2 ，显示出超温服役和热机械疲劳及热应力疲劳的不良后果 1 s l 。 1 4 3 妒管裂纹 渗碳导致炉管破裂有两种形式：外壁开裂和内壁开裂。管外壁开裂是由于内 壁渗碳猩辨壁产生拉应力的结祭，多发生在抗渗碳能力差的h k 台念炉管上。管 内壁开聚蹩由予秀透过程孛渗瑗产生豹爨热应力窝痰压产生麓琢蠢应力联舍作 用的结聚，多发生在抗渗碳熊力较强的h p 合龛妒管上。外壁开裂，一般以渗碳 层达到麟厚的1 2 作为判废标准【9 】。 严黛渗碳的组织可直接引发裂纹。理论上讲，裂纹可起源于三种部位：炉管 羚表磁、渗磺内表瑟以及瑟蠢交秀处。超生产上多冤裂纹由内壁囱井扩震，数量 与渗碳撩菠有关。 管髓渗透形成开裂。幽于管壁渗透，不论趋内表面外表面，在较大的热应力 等造成的拉应力情况下，达列一定数值时，就会发生开裂【2 】。这是渗碳造成开裂 的最典溅鼹明显的实例。 爨耱襞绞不曩发瑗，毽缀惩惑掌誊可滋我铡一些巍未贯穿戆黉纹。英特点是 内壁肖占壁厚l 躬左右的渗碳层，开裂处的渗碳屡占壁厚的1 2 左右，裂纹是在 渗层的最深处，该裂纹具有热疲劳裂纹特征。通常认为热应力使渗碳层内形成小 裂纹，猩热疲劳的作用下裂纹向前发展，随裂纹发展渗层也随着发腿f 羽。 终壁裂纹，出于内壁渗碳，使俸积膨联，对姊壁产生拉应力。出于渗碳使热 膨强系数簿低，在降温遗鬣中，矫壁毖熬因膨胀系数大两受拉应力。翅降温过浃 再加上热应力本身，三者相遮加，就可能导致形成裂纹1 2 】。 般渗碳层形成的裂纹，基本上终止在渗鼷与非渗层的交界她。 另一种常见的炉管裂纹楚焊接裂纹。焊接裂纹多起源于熔合线戏近缝区，并 囊霉耱瘫赘延 宰，著丘爱予霹材楚。霹裂纹袭溪滋行戆扫整奄镜繇翻分获表麓， 其断翻为脆性断口主要是沿骏化物开裂，且有二次裂纹，这表明母材很脆。母材 虽为奥氏体，但长期高温逡行形成碳化物。从三维空间观察碳化物鼹膜状分布， 称为脆，隧膜，脆性膜在焊接_ 陂力作用下首先开裂p j 。 9 第一章绪论 曼曼曼寰苎糖篡攀鼎鼍兰曼曼曼曼! 曼! 皇! 曼曼燃删蚓攀鼍鼍詈鼍量鲁鼍曼曼曼喜兰邕篡燃邕鼍尊曼曼皇曼皇蔓量詈舅喜糕i i , l l l l l l 獬第鼍鼍曼曼曼篁 研究表明，焊缝金属为龋粒较细的骨架状，组织细密，碳纯物分布均匀，这 是裂纹爿黾能扩展进入焊缝的鞭因。断口s e m 观察，裂纹沿枝晶晶界断裂，枝晶 形状特铤明显。裂纹由内璧起裂，有较多二次裂纹，说明由于渗碳和腐蚀，内壁 材质黢纯，丽对在多处产叟黉绞，毽毒一条圭裂绞扩屡残长。在壁鼯中豁，在沿 晶断翻麓戳上又出现些穿晶断裂，这些都侮秘脆性断裂豹典鍪瓤剃。在离开内 壁后述衡少量撕裂棱存在，说明管壁中尚存在一定塑性。 可见，裂纹首先起源于内壁渗碳层的粗大碳他物晶界，并沿晶扩展，局部穿 晶断裂现象说明过热区晶粒臆化且晶界已具有一定强度。裂纹在材料离滠塑性较 差懿滋发狳莰( 8 0 0 - - 3 5 0 ) 产，圭，帮损经程震瓣予葛漫羝塑瞧裘绞。 1 5 补焊修复的研究现状 炉镣断裂或泄漏后的选择有二：一是采取整樱炉管更换的办法；二是应用焊 接按窳骖复黪蹬蓬。枣子瓣辫渡接零送行修复暴蠢经济夔、爱跨燕等臻患，莛 圭 被大多数厂家采用。然而，由于焊接技术发展的硒限性和焊接冶金结合的特点， 导致在实际工况下，焊接接头本身就有可能存谯缺陷。 在大爨的工厂设备事故中，焊接接头先行失效的例子已屡见不鲜。在高温构 件失效弓 发的事故中，焊缝举期发生的失效常露掇遵f 晦”，“。9 1 2 啦。爝接接头作 为设备静薄弱环节已霾盏旁人们掰注意，嗣对氇琵注意妥在缀多渍况下，失效往 往只楚髑部性的，设备的其它部分还有相当好的服役性能【2 3 。“，如果简单的整体 报废只会造成材料及资金的愿大浪费。因此，在保i 正补焊构件安全运行的前提下， 采用局部补焊技术来对损伤稷度严重的局部区域避行修 ，可以提离设番运行的 整傣经漭效益，遗受整套设餐更换造或不必要教滚赛。 当然，如果不能傈 芷补焊构件的安全运行，带来的可能是更大豹浪费。因此， 高温下补焊结构的可靠性和街命决定了补焊修复的可行性。然而，以往对焊缝高 温强度的研究主要针对一次焊接【2 5 ”7 1 2 2 9 ”。“封补焊的研究十分欠缺。为此欧 共体凌德霭毒毒辩试验中心( m p a ) 牵头多个藿客参热，于2 0 0 0 年鼹歼了对高温 下於舜镰褥完整牲静砭究。谈顼譬为期4 年，集串耪辩、浮接、力学鞠工厂揉俸 方面的专家 3 2 , 3 3 】，对补焊规程、补焊工艺等一系列与补焊相关的技术闯题进行详 尽的分析，目标是在现有补焊规程的基础上提出一个更全面，更合理的指导性补 0 硕士掌茬论文 焊标凇泉。 需要指出，现有对补焊问题的研究多还停留于焊后残余应力的分析上【”0 5 “】 鲜有针对接头寿命进行的分析。这一方面是因为缺乏补焊后接头各分区的材料参 数，舅方瑟工程上也往铉熬 浮篱化成般懿焊接，嚣忽路7 羚辫本身的复杂 特性。h y d e 等通过单辘拉 垮试验、缺口试验以及惩痰试验裁定了c r m o v 接头及 其补焊接头各部分的材料参数【”1 ，并利用有限元法对接头各部分的寿命进行模拟 3 s l ，揭示了不同尺寸，不同材料参数对失效形式的影响 3 9 】。但是在h y d e 他们的 羚焊研究审，只是把补焊聪的材料参数引入原露的焊接模型中，并没骞考虑 埠 兹稳俘簸役蕊变黠 浮爱翡影麓，因琵遣藏穰黪缀弱真歪兹寿禽译穗，迄无法褥 出延寿效率的准确判断。此外，上述研究主要针对低合金的铁素体钢，对高铬镍 奥氏体锎补焊结构的研究述鲜见报道，为此本文针对高温炉管台金材料进行补焊 修复的研究将丰富这一领域的内容。 1 6 本文研究的内容与基本思路 乙烯裂解炉炉管，正常设计寿命为l o w l l 年，而实际由于使用过程中的 些不稳定因素，比如工艺条件的波动，人为操作失误，都将造成炉管过早失效。 两炉营戆损锈，又具有局部瞧，即莠菲整棂管予都损坏，也就是说不瑟瑟挨整报 管子，廷惹更换局帮受损翡警子。现在载淘题蔻鲡傍可絮或检测捌受损的部位， 而且损伤程度如何，能不能焊接修复? 通过该项目的研究，试图找刘一种较为方 便和快遮的方法，用于检测炉管损伤程度，从而判断该炉管的可修炱性。 本文的基本思路是，研究炉管可焊性，从内部缀织的损伤程度与可焊性的关 系，戳及辉揍裂纹豹特薤及产堂琢霾，炉管豹戆麓交诧关系，霉酸胃辫淫与疆度、 碳含量及渗碳层深度的关系，寻找影晌可焊往的影响因素及其规律性。力图找到 一种较为快捷的方法，来判别焊接修复的可能性，主要考虑因素，搦便的硬度测 量方法，组织损伤程度评级方法，为炉管快速修复提供工程和理论依据。框图如 匿1 5 黪示。 参考文献 图】5 研究技术路线 f i g ，1 - 5r e s e a r c hr o a d m a p 1 夏天东，玛宝玉，兰宝彤等离心铸造h p - n b 商濑合金炉管与1 c r 5 m o 法兰 的焊接焊接 j 】1 9 9 9 ( 3 ) ：1 5 1 8 【2 关家锟裂解炉管渗碳损伤的研究。石化技术【j 】1 9 9 7 ，4 ( 4 ) ：2 1 6 2 2 0 【3 】王学文，镑纪俸，羲万学等。乙爝裂惩麦垂辐舞段渗碳妒警浮接。焊接 j l 。1 9 9 2 ( 1 ) ：2 l 2 3 4 】林学东，孙源乙烯裂解炉管材料高温渗碳行为研究机械工程材料 j 1 1 9 9 4 1 2 ，1 8 ( 6 ) ；2 8 3 0 ，5 3 翻兰宝形，予建平，石建繁等离心铸造h p - n b 高温合金炉警的对接。焊接【j 】 1 9 9 9 ( 6 ) ：1 8 - 2 1 警l 戴敏事。乙烯裂鼹妒辐射炉管酚糖震分析及姆接，扬子石化检修公霹礤突 报告【r 】1 9 9 8 t 2 7 王富岗，李德俊，谭家隆等乙烯裂解炉炉管材料的性能及疑选用石油化 工设鍪嘲1 9 8 9 ，】8 ( 6 ) ；3 7 4 0 【8 】王富岗裂解妒管渗碳层自动检测装置的研制石油纯工设备技术翻。1 9 9 2 ， 1 3 ( 2 ) ：1 9 - 2 1 ( 9 j 祝苏嚷，王来，王富潦等h p 型乙赡裂解炉管渗碳损伤分襁石油化工设镑 【j 】1 9 9 4 ，2 3 ( 3 ) ：1 7 2 0 【1 0 】孙家孔主编石油化工装置设备腐蚀与防护手册【m 北京：中国石化出版 社出版，1 9 9 6 年3 弼：2 8 6 3 1 6 c ll 】郑承炎乙烯裂解炉管运行损伤爝焊接性分帮千焊接【j 1 9 9 6 ( 4 ) ：1 3 1 7 【1 2 ajm a c n a b a l l o y sf o re t h y l e n ec r a c k i n gf u r n a c et u b e s m h y d r o c a r b o n p r o c e s s i n g ，d e c e m b e