（材料学专业论文）石化装置高温压力工艺管线安全评估决策支持系统的研究与开发.pdf

石化装置高温压力工艺管线安全评估决策支持系统的研究与开发 摘要 本课题为石化装置高温工艺管线安全评估决策支持系统的研究与开发，是 与大连石化公司合作的横向课题。以1 c r 5 m o 、1 2 c r l m o v 和2 0 钢三种常用作 石化装置高温炉管材料的珠光体耐热钢为研究对象，针对其在高温服役中的安 全评估问题，在以往工作的基础上，采用数据库和面向对象编程技术研究开发 了一套高温管线安全评估决策支持系统( f e s d p 系统) ，其目的是为大连石化公 司数十套装置中加热炉辐射段管线与这三种材料相关的安全评估提供决策支 持。 通过实验以及结合我们在国内其他石化企业失效分析和安全评估中已获 数据，建立起这三种材料不同使用状态的组织特征和剩余寿命之问的关系，并 参照相关行业标准和查阅大量国内外资料，制定出l c r 5 m o 、1 2 c r l m o v 和2 0 钢三种材料的组织劣化等级的标准图谱，提出通过评价组织劣化等级进行剩余 寿命评估的基本策略。 f e s d p 系统主要包括加热炉运行参数及炉管数据模块、金相组织图谱模 块、装置管理条例模块和评估模块四个模块。通过加热炉运行参数及炉管数据 模块实现对相关数据的维护与管理：在金相组织图谱模块中根据相应材料的标 准组织图谱对实际金相图谱进行组织劣化等级评定：装置管理条例模块用于查 询并维护相关装置的安全操作准则和管理条例；评估模块是f e s d p 系统的核 心部分，根据加热炉运行参数及炉管数据模块和金相组织图谱模块中相关数据 和信息，可以对在役加热炉中单根炉管或整组炉管进行剩余寿命预测，并可以 查询单根炉管或整组炉管的状态。这四个模块有效地结合在一起构成整个 f e s d p 系统，该系统具有用户友好的界面以及高效的数据维护与管理功能， 能够方便、快捷且可靠地对相关管线进行安全评估。 该系统已于2 0 0 3 年1 2 月通过大连石化公司验收，目前正在使用之中，对 公司装置的安全运行与管理决策提供了可靠支持。 关键词：高温管线：珠光体耐热钢；安全评估；评估策略 决策支持系统 ! ! 些鳖蔓壹塑垦垄三苎笪垡窒全堡堕盗箜塞生墨竺塑旦塞皇墅茎 a b s tr a c t t h ep r o j e c ti sa b o u tt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f d e c i s i o n m a k i n gs y s t e mf o rs a f e t v a s s e s s m e n to fh i g ht e m p e r a t u r et u b e si n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r yj nc o o p e r a t i o nw i t hd a l i a n p e t r o c h e m i c a l c o m p a “y ( d l p e c ) ，w h i c ht a k e s1 c r 5 m o ，1 2 cr l m o va n d2 0 # a sr e s e a r c h o b j e c t s ，1 c r s m o ，1 2 c r l m o va n d2 0 # a r et h r e et y p e so fp e a r l i t i ch e a tr e s i s t a n ts t e e la n d w i d e l y u s e df o r h i g ht e m p e r a t u r e t u b e si n p e t r o - c h e m i c a l i n d u s t r y ，s o t h e i r s a f e t v a s s e s s m e n t sa r en e c e s s a r yf o rt h es a k eo f o p e r a t i o ns a f e t yi nh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n 0 n t h eb a s i so fo u rf o r m e rw o r k ，t h ed e c i s i o n m a k i n gs y s t e m ( f e s d p ) h a sb e e nd e v e l o p e db v m e a n so fd a t a b a s ea n d o b j e c t 。o r i e n t e dp r o g r a m mi n gt e c h n o l o g y t h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n to ff e s - d pi st o p r o v i d ean e wa p p r o a c ht os a f e t ya s s e s s m e n to fr a d i a t i o n t u b e sr e l a t e dw i t ht h et h r e e t y p e so fs t e e li ns e v e r a ld o z e no fs e t so fh e a t i n gf u r n a c eo f d l ，p e c t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nm i c r o s t r u c t u r ef e a t u r ea n dr e s i d u a li i r e o ft h et h r e et y p e so f s t e e li nd i f f e r e n ts t a t e sh a v eb e e nf o u n d e da c c o r d i n gt o t h ed a t af r o mt h e e x p er i m e n t s ， f o r m e rf a i l u r ea n a l y s i sa n ds a f e t ya s s e s s m e n tf o ro t h e rp e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o n s i nt e r m o ft h ec o r r e l a t i v es t a n d a r d sa n dag r e a to fi n f o r m a t i o n ，t h es t a n d a r dg r a d e so fm i c r o s t r u c t u r e d e g r a d a t i o n o ft h et h r e et y p e so fs t e e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e da n dt h eb a s i cr e s i d u a l l i f e a s s e s s m e n ts t r a t e g yb ye v a l u a t i n gt h eg r a d eo fm i c r o s t r u c t u r ed e g r a d a t i o nh a sb e e nb r o u g h t f o r w a r d ， f e s d pm a i n l yc o n s i s t so ff o u rm o d u l e s ：t h em o d u l eo f o p e r a t i o np a r a m e t e r sa n d m a t e r i a l sd a t a b a s e ，t h em o d u l eo fm e t a l l o g r a p h i c p h o t o s ，t h em o d u l eo ft h ee q u i p m e n t o p e r a t i o n r u l e sa n dt h ea s s e s s m e n tm o d u l e t h e f u n c t i o no ft h ef i r s tm o d u l ei sd a t a m a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t ，a n di nt h es e c o n do n ea c t u a l m e t a l l o g r a p h i ep h o t o sc a nb e g r a d e da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r dm e t a l l o g r a p h i cp h o t o s u s e r sc a bi n q u i r ea n dm a i n t a i nt h e e q u i p m e n to p e r a t i o nr u l e si nt h et h i r do n e 。t h el a s to n ei st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ff e s 、d p , b yw h i c hr e s i d u a l l i f eo fas i n g l ef u r n a c et u b eo rag r o u po ft u b e sc a nb ea s s e s s e da n dt h e i r o p e r a t i o ns t a t e s c a nb e i n q u i r e d 。t h ef o u rm o d u l e sh a v eb e e ne f f e c t i v e l yi n t e g r a t e di n t o f e s - d pw h i c hh a v eu s e r f r i e n d l yi n t e r f a e e sa n de f f e c t u a ld a t am a i n t e n a n c ea n dm a n a g e m e n t f u n c t i o n ，s os a f e t ya s s e s s m e n to fc o r r e l a t i v et u b e sc a nb ed o n ee x p e d i e n t l ya n dr e l i a b l y ， f e s d pi si nu s en o wa n dp r o v i d e sr e l i a b l ed e c i s i o n m a k i n gi n f o r m a t i o nt o e q u i p m e n t o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t ，w h i c hp a s s e dt h eq u a l i f i c a t i o no f d l p e co nd e c e m b e r ，2 0 0 3 k e yw o r d s ：h i g ht e m p e r a t u r et u b e ：p e a r l l t i eh e a tr e s i s t a n ts t e e l ；s a f e t ya s s e s s m e n t ： a s s e s s m e n ts t r a t e g y ；d e c i s i o n m a k i n gs y s t e m i i 石化装置高温压力工艺管线安全评估决策支持系统的研究与开发 1 1 引言 第一章绪论 安全评估是采用系统科学的方法确认系统存在的危险性，并根据其形成事故的风险 大小，采取相应的安全措施，达到系统安全的过程 1 , 2 7 。 企业要生存和发展，必须有一个良好的安全环境，安全工作是企业经营管理工作的 重要组成部分。作为现代化的企业安全管理，它的一个重要标志是以预防为主，即在事 故发生之前，用科学原理和工程技术方法，对系统中的各种危险进行辨识、控制，并对 系统的安全状况进行评估，以预防事故的发生，把可能造成的损失限制在最低的程度。 在石油化工企业中，装置的安全管理占据着极其重要的地位。石化生产高温高压、 易燃易爆、腐蚀有毒的特点，使安全工作格外重要。特别是随着生产日趋复杂和规模的 扩大，潜在事故隐患有增大的趋势。石化装置一旦失效发生事故，将导致巨大的人员伤 亡及财产损失，因此，如何保障该类装置安全可靠地长期运行是人们非常关心的问题。 借助于现代的强度理论、计算工具和断裂力学技术，常温环境下的装置安全评定问题已 基本解决，但高温下材料和结构的劣化是和时闾相关的，常温条件下的结构完整性评定 技术并不能完全照搬到高温环境下，如何进行高温结构的完整性评定或剩余寿命评估技 术成为石化企业中急需解决的重大难点问题。解决好这个闽题，对保护企业员工的生命 安全、保证设备运行的安全性和稳定性、减少不必要的非正常停工、停产，无疑具有重 要的社会效益及经济利益。 石化装置用高温压力管线的安全评估主要体现在对管线金属材料的剩余寿命评估 上。这是因为管线在以时间相关的劣化机制( 如蠕变、疲劳、回火脆性、氧化、腐蚀、 氢脆等) 为主的条件下运行，管线的运行寿命是有限的，一旦超过其运行寿命而失效， 则影响了整套石化装置的安全运行，所以确定、评定和预测在役管线在一定的运行环境 下的剩余寿命( 即预测其何时失效) 对整套石化装置的安全运行具有非常重大的意义。 1 ，2 安全评估技术 安全评估技术起源于美国。安全评估是伴随着系统安全工程的发展而发展起来的。 六十年代以来，美国空军倡导的系统安全思想为人们所接受，形成了独立的系统安全工 程学科，此后，系统安全工程得到迅速的发展。由各种系统安全工程方法形成了安全评 估的一个流派。与此同时，美国道化学公司针对化工生产的特点，首创了危险指数法i l 4 j 形成了与系统安全工程方法并行不悖的一个流派。由于安全评估所涉及内容的复杂性， 定量评估的难度很大，到目前为止，国际国内还没有一套通用的安全评估方法。目前比 较成熟，自成体系的系统安全评估方法有：( 1 ) 美国道化学公司的火灾、爆炸危险指数 法：( 2 ) 英帝国化学公司的蒙德评价法【6 】；( 3 ) 日本化工省的六阶段安全评价法口j ：( 4 ) l e c 法【4 】：f 5 ) 我国兵器工业部机械工厂安全性评价方法与标准嘲；( 6 ) 系统工程分析评价方 法：( 7 ) 概率风险评价法叽( 8 ) 检查表法9 】；( 9 ) 美国达信风险评价法【2 1 0 】。 12 1 几种安全评估方法简介 i 道化学公司火灾爆炸危险指数法 石化装置高温压力工艺管线安全评估决策支持系统的研究与开拨 道化学公司方法影响最大，早在1 9 6 4 年，美国道化学公司( d o w sc h e m i c a lc o ) 根据化工企业使用原料的物理、化学性质、生产中的特殊危险性，考虑到具体工艺处理 中的一般性和特殊性之间的差别以及物量等因素的影响，以火灾、爆炸指数形式定量地 评价化工系统的危险程度，并根据此提出安全对策，改进工艺过程和设备的安全性，提 高工厂的安全水平，形成道火灾爆炸危险指数评价方法( 简称道公司方法) 。道公司方法 是一种参数相关的方法，开创了化工生产危险度( 半) 定量评价的历史。它将生产装置 划分为若干工艺单元，逐一分析其危险性，它以代表物质危险性大小的物质系数为基础， 再考虑工艺过程中其他因素如操作方式、工艺条件、设备状况、物料处理量、安全装置、 检测仪表等的影响，来计算每个单元的危险度数值，然后按数值大小划分危险度级别和 确定损失程度。它主要是对生产过程中固有危险的度量。图1 1 【j j 是道公司方法最新版本 ( 7 版) 的评价程序。 图1 - 1 道公司方法评价程序( 第7 版) f i g 1 1t h e d o w ss e c u r i t ya s s e s s m e n tp r o g r a m m e 2l e c 法 在具有潜在危险环境下作业的一种简单易行的评估方法。由美国格莱姆等人提出， 他认为作业危险应该是三个因素的乘积( d ) ，这三个因素为：发生事故或危险事件的可 能性( l ) ：人出现在危险环境下的时间( e ) ；发生事故后可能产生的结果( c ) 。d 值越 塑笙重童堡垦塑三茎笪垡室叁堡堕壅墨塞堡墨竺塑竺塞兰要垄 大，作业的危险性越大。通过评估，能够计算出各种作业的危险程度，从而能警示人们 哪些作业应该立即采取措施，否则有发生事故的可能性。 3 事故树法 安全系统工程中的事故树分析法，是预测和预防事故最有效的安全评估方法之一。 它是种科学的逻辑分析方法，通过逻辑推理找出导出事故( 预想的和己发生的) 所有 的基本原因，并按先后顺序和因果关系绘出方框图，用逻辑门连接起来，从而能简明形 象地描述事故的因果关系。 4 美国达信风险评价法 美国达信风险评价方法是由前英国塞奇维克公司开发的，故曾称为“英国塞奇维克 风险评价”。达信风险评价方法采用的是“4 分法”( 4 - - 0 分) 。它运用安全系统工程中的 安全检查表法，将被评估装置、系统按照工艺装置布局、工艺控制系统和紧急停产系统 等1 8 个项目为内容，以硬件为主，作为每项的“评估要素”进行打分，按照评价分值范 围予以危险程度分级。 “4 分法”的评价分值范围为4 一o 分，共划分为6 个等级；4 3 4 分为“优秀”； 3 4 - 2 5 分为“好”；2 5 2 1 分为“平均水平”；2 。1 1 。3 分为“基本达标”；1 3 一o 5 分为“差”；o 5 0 分为“很差”。 对各装置、系统按“4 分法”进行风险评定之后，根据被评装置、系统的生产能力 高低、价值大小、工艺设各、工艺物料、介质特性、关键性传动机械设备运行参数、事 故发生概率及损失等诸多因素进行计算机数据处理，再列出建议和措煎，用色标标明优 先整改目标的排列顺序。 最后撰写总评估报告。 1 2 。2 石化装置安全评估模式 目前国内外制订的安全评估方法很多，每个评估方法都有各自的优缺点和适应性， 对具体的评估对象，必须选择合适的方法才能取得良好的评估效果，在选用评估方法之 前，应考虑以下因素： ( 1 ) 确定安全分析和评估的目的； ( 2 ) 确定危险评估的内容和对象； ( 3 ) 分析、评估方法的选择。 鉴于评估方法的不完善及评估对象的复杂性，目前还没有一种方法对其做出完全评 估，只能选用几种评估方法对其进行评估，互相补充、综合分析、相互验证，才能更好 地辨识危险、提高评估结果的准确性和可靠性。鉴于石化生产的特点和近年来开展安全 评估的实践，中石化集团青岛安全工程研究院的王广亮提出了石化装置安全评估模式引， 如图1 - 2 所示。 1 2 3 安全评估技术的发展趋势 基于风险的安全评估方法和把数据库与计算机技术应用于传统的安全评估方法之 中是目前安全评估方法的发展趋势。 型堡童里! 鳖垄三苎萱垡塞全堡堡堡茎圭堑墨堕塑里塑皇堑丝 图1 2 石化装置安全评估基本模式 f i g 1 2b a s i cp a t t e mo f e q u i p m e n ts e c u r i t ya s s e s s m e n t i np e t r o r c h e m i c a l i n d u s t r y 风险存在于生活的方方面面，人们将“能导致伤害的灾害可能性和这种伤害的严重 程度”定义成“风险( r i s k ) ”1 1 1 另外，欧洲机器安全规范( e s0 1 1s a f e t y o f m a c h i n e r y ) 还把“风险评估( r i s k a s s e s s m e n t ) ”定义为：“采用一系列的逻辑步骤，使设计人员和安 全工程师能够以一种系统的方式检查由于机器的使用而产生的灾害，从而可以选择合适 的安全措施”【1 2 j 。基于风险的安全评估( r i s k b a s e ds e c u r i t ya s s e s s m e n t ，缩写为r b s a ) 能够定量地抓住决定安全性等级的两个因素：事故的可能性和严重性。并在此基础上引 入了风险指标，从而对系统安全性做出更科学、细致的评估。美国达信风险评价方法和 美国石油协会风险检验( a p l 5 8 1 ) 就是很成功的基于风险的安全评估方法和标准。杨铁 成等应用基于半定量风险分析的安全评估方法进行某石化加氢装置的安全评估，取得了 较好的效果【”1 。 道化学公司方法等传统安全评估方法的基本特点为： f 1 ) 它的每一个环节都靠评价者用手工方式来完成。就其本质而言，这些都是凭借 评价人员直接或间接的经验，来确定评价结果； f 2 评价人员的大部分精力耗费在局部参数的确定中，而对评价全局难于进行深入 的研究。 传统评估方法的基本特点决定了其具有以下的局限性： ( 1 ) 评估结果在很大程度上取决于评估人员的个人经验，不同经历的人员会评估出 不同的结果，有时甚至会大相径庭； ( 2 1 在评估过程中，由于受人员自身条件的限制，对评估中大量出现的有条件约束 的地方，特别是对需要根据己确定的参数，判断出当前参数的选取是否合理的地方，很 难做到精确地把握； f 3 ) 评估人员往往为了确定某一个或几个参数，而要去翻阅大量的资料，致使评估 周期特别长、效率低； f 在一次评估过程中，需要对多个生产单元进行评估，每个生产单元又包括多个 互些墨里童堡垦垄三苎笪堡窭全塑堕盗茎塞堑墨堑堕塑塞兰堑叁 评估单元，而且每个单元又会在不同阶段被评估，因此在多次评估之后，会出现大量的 评估结果，采用手工方式很难对以往的资料进行系统的整理，从而大大降低了对历史信 息的利用率。 从中可以看出，传统的安全评估方法已经不能满足对石化企业安全进行科学的综合 评估的要求，随着数据库应用技术和计算机技术的发展，在传统的安全评估方法的基础 上，把数据库和计算机技术应用于其中，研究和开发计算机辅助的安全评估方法具有重 大的意义。 计算机辅助的安全评估方法具有科学计算、图形处理、数据处理和分析等功能，将 安全评估人员从繁重的计算过程中解放出来，给评估工作节省了大量时间、智能化的评 估使得系统在评估过程中具有逻辑判断的“思维”能力，即程序能够对原始数据或计算 过程中产生的数据进行一定形式的判断，对判断的结果进入下一步评估计算过程，或给 评估者一些提示，进行下一步操作的选择，使评估者尽可能得到计算机的提示和帮助， 不用为下一步该如何进行而去翻阅有关资料。李媛等在分析道化学公司火灾爆炸指数评 估体系的基础上，把数据库与计算机技术应用于其中，提出了基于道安全评估标准的计 算机辅助方法，为石化行业的安全评估提供了一种有效的工具f ”。 1 3 剩余寿命评估技术 本文研究的对象是石化装置高温工艺管线，通过建立一个决策支持系统对管线进行 安全评估，根据评估结果从而达到为石化企业的装置管理提供决策支持信息的目的。从 中可以看出，在决策支持系统中实现对管线更准确、更可靠的安全评估是非常重要的， 而石化装置用高温压力管线的安全评估主要体现在对管线金属材料的剩余寿命评估上， 所以根据高温工艺管线的具体情况选取合适的寿命评估方法是至关重要的。 剩余寿命评估技术是最近几十年发展起来的新兴技术。这一技术是许多学科综合发 展的结果。这些方法和技术的综合运用使得对工业系统关键部件的完整性的深入了解成 为可能，这将对延长工业系统设备装置寿命的决策过程中提供技术和经济方面的支持。 目前，高温、高压容器等金属结构的剩余寿命评估技术已得到成功应用，取得了很好的 经济效益。 1 3 1 典型的寿命评估方法 高温构件材料剩余寿命的计算方法随着国内外对剩余寿命评估研究的深入和成熟， 经历了四个不同阶段。最早采用线性外推的持久强度法1 1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 8 】，侧重研究蠕变过程中 的断裂机理。当外推很长时间时，外推的结果有偏高的危险，它的不确定性也日益被试 验所验证；第二阶段是损伤蠕变法旧，侧重于材料的组织变化，预测准确性得到很大提 高；第三阶段是参数外推法，l m 公式就是蠕交一时间参数外推法中最著名的一个；第 四阶段是外推法中的解析法，它是第三阶段的进一步丰富和发展，如e 函数法寿命评估， 它可以把前面的各种参数法统一成一体。 1 持久强度外推法( 等温线法) 鉴于炉管材料在高温下工作的时间长达几万小时，甚至数十万小时，而持久强度不 可能进行那么长的时间，一般只做一些应力较高而时间较短的试验，然后根据这些试验 数据进行外推，从而得出更长时间的持久强度值。目前求持久强度的外推法有时间与断 三型堡堕重壹i 墨墅三苎笪垡室全堡笪达堕塞堡墨竺塑塑壅兰茎垄 裂应力的图解法及参数法两种。国内外广泛采用断裂时间与应力间的幂指数关系式。在 一定温度下断裂时间与应力间的经验公式见式( 1 - 1 ) ： t = a o 8 ( 1 - 1 ) 式中：a 、b 一与材料和温度有关的常数； o 一应力； t 一断裂时间。 如果两边取对数，则l g - = l g a - b l g o ，即该公式在双对数坐标上- 与。成直线关系， 这就有可能用几个高应力较短时间试验的数摆在双对数坐标纸上作出直线，然后将此直 线延长到所需要的服役时间来确定持久断裂应力值，见图1 3 。实践中，为了使所得的 直线较为准确，应用最小二乘法计算出直线方程来进行外推。应该值得注意的是：当外 推很长时间时，l o go l o gt 不总是保持直线关系，一般均有折点出现，因此使外推出来 的结果有变高的危险。通过持久强度计算高温部件剩余寿命不可靠的原因为【16 】：一是通 常采用的持久强度是采用短期( 几千小时) 实验曲线的外推值，它与长期实验值相差很 大；二是寿命计算结果对工作应力的变化十分敏感；三是高温部件的断裂机理并不能单 纯用持久强度来衡量。 图1 3 持久强度外推示意图 f i g 1 3s k e t c h - m a po f p e r m a n e n ts t r e n g t he x t r a p o l a t i o n 2 寿命预测的参数法 1 9 - 2 2 1 根据蠕变理论，温度、应力和断裂时间三者存在下述关系： t r = a e x p ( q ( r t ) ) ( 1 - 2 ) 式中：t r 一断裂时间； t 一绝对温度； a 、o 一材料与应力有关的项； r 一气体常数。 式( 1 - 2 ) 两边取对数： l o g t ，= l o g a + q ( 2 3 r t ) ( 1 - 3 ) 如果断裂应力对应于一个综合时间温度参数给出，将得到一个主断裂点，多年来发 展来的一些方法是以此为基础的。对主断裂点可以用以下通用方程描述： f ( t ，t ) = do + a1 i o g o + a 2 l 0 9 2o + ( 1 - 4 ) 在这里，f ( t ，t ) 是时间一温度参数，。o ，al ，a 。是常量 假定a 为材料的常数，e 为应力的函数，式( 1 - 3 ) 则变为： t ( 1 0 9 t r + c ) = p ( o ) = l m p ( 1 5 ) 式( 1 - 5 ) 就是l m 参数法，l - m 参数是最广泛用于分析应力断裂数据的参数。 互垡薹重基里垦塑三堇笪望室全堡笪壅堕塞鲎墨竺箜婴塞皇茎茎 假定q 为材料的常数，a 为应力的函数，式( 1 - 3 ) 则变为： l o g t r _ c t 。p ( o ) = k d p ( 1 6 ) 式( 1 - 6 ) 就是k d 参数法。 在其它的参数中，m h 参数法也是广泛用于断裂寿命预测： ( 1 0 9 ( t ) 一l o g ( t o ) ) ( t - t o ) 。m h p( 1 - 7 ) 在方程( 1 5 ) ( 1 - 7 ) 中，c ，t o 为材料常量。 指数p 、温度t 及断裂时间t 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长大，改变材料的组织结构和性能；而且当裂纹超过定值 后，外推精度会大大降低。l m 参数外推法和k d 参数外推法适用于蠕变损伤尚未发展 到宏观裂纹( 小于2 m m ) 时的情况，相比之下，k - d 参数外推法获得的结果较为保守， 更适合于预测在恶劣工况和高温、高压状态下工作的管线寿命。 3 蠕变曲线逼进法i l 5 j 大多数关于材料蠕变曲线的测量实验都是用标准拉伸试样在单轴应力条件下进行 的，较低应力下蠕变曲线可用以下方程( 1 8 ) 表示： ；( t ) = 8o + ( e ”一1 ) ( 1 8 ) 根据动力学计算和实验结果分析，管道的直径蠕变曲线e ，( t ) 与相同材料的单轴拉 伸蠕变曲线e 。在蠕变寿命的前四分之三期限内是相似的： 。= m 。( t ) ( 1 - 9 ) i s e d a 等认为，系数1 1 1 约为0 3 。据此管道直径的蠕变曲线可写成与方程( 1 8 ) 形式相 同的函数，这里的b ，a 是待定参量，可通过对管道运行过程中所测量的蠕变曲线进行 拟合而求得。管道运行时间越长，所得拟合方程用于外推该管道在剩余寿命期间蠕变的 精度越好，也就可以更好地预测该管道的剩余寿命。 4 0 函数法 1 5 , 2 3 - 2 5 j e v a n s 提出的0 函数法，被认为可以用近千小时的蠕变实验预测长达3 0 万小时的材 料蠕变寿命。该方法利用少量的蠕变试样在实验室测得近千小时的蠕变曲线，由曲线拟 合及多元线形回归而确定被测试材料的方程中系数，由此即可预测该材料在任意条件下 的蠕变曲线及断裂寿命。由于要求试样数量少，试验周期短，该方法用于对一些新钢种 的管道寿命预测是十分有效的。 e 函数法的基本思想是把蠕变过程看成是由蠕变硬化和蠕变软化两个过程所组成， 因此蠕变曲线可用下式表示： = o ( 1 一e x p ( 一0 。t ) ) 十e 。( e x p ( 一e t ) 一1 ) ( 1 1 0 ) 其中，e 。是与温度和应力有关的系数。此方程实际上可看作是由一个随时间逐渐衰 减的指数函数和个随时间递增的指数函数之和，0t 值的大小决定蠕变曲线的形状。 但e 函数法在应用时往往需要材料的恒应力蠕变性能数据而不是恒载荷蠕变数据， 为了处理恒载荷下的蠕交数据，把e 函数法的形式进行一些修正，采用下式描述蠕变应 变随时间变化的进程： = ，一o = a t + 1 3 ( e x p ( dt 卜1 ) ( 1 一i i ) ! 丝鍪里堕塑堡垄三苎篁垡窒全迂堡堡篁奎堑墨篁塑型塞兰茎丝 其中，et 为总应变，e 。为初始应变，a ，b 和n 是与温度和应力有关的系数。 0 函数法应用的一个关键因素就是0 同材料本身以及温度应力水平有关，且满足以 下关系： l o g t 。ei = a ，+ b ，t + c io + d iot ( i = 1 ，2 ，3 ) ( 1 1 2 ) a i ，b ，c 。和d 为材料常数。这就使其具有外推价值。当温度恒定时，式( 1 - 1 5 ) 则转 变为： 】o g 【oe 。= a + b o( i = 1 ，2 ，3 ) 因此，一旦材料参数a 。和b ，得到确定 度下给定应力材料的蠕变形变曲线。 ( 1 - 1 3 ) 则利用式( 1 - 儿) 和( 1 - 1 3 ) 就可确定此温 5 蠕变持久统一方程和热强参数统一方程 在文献 2 6 1 中。作者建立了一种蠕变持久统一方程和热强参数统一方程，它不但将目 前的l m 方程、k d 方程、m s 方程和m - h 方程统一表达为一个方程，而且还很好地表征 工程中许多上述四种方程无法描述的材料蠕变断裂时间、应力和温度之间的关系，具有 对试验数据的拟合精度高、适用性强等优点。 式( 1 - 1 4 ) 为蠕变持久统一方程： i g t = b 。+ b ( t c ) 4 + b 。( t - c ) 。x + b 3 ( t - c ) 。x 2 + b 。( t - c ) 9 x 3 ( i - 1 4 ) 其中，t 为蠕变断裂时间；t 为绝对温度；x 为对数应力；a 、b 、c 为待定参数； 常数b 。和系数b 。，k = 1 ，2 ，3 ，4 由试验数据确定。 式( i - 1 5 ) 为热强参数统方程： l go = a o + al p + a 2 矿+ a 3 p 3 ( 1 1 5 ) 其中p 为热强参数，可统一由下式确定： d = ( i g t - c 。t 。) ( t - c 。) “ ( i - 1 6 ) ( 1 1 5 ) 和( 1 一1 6 ) 两式中：o 为应力；t 为蠕变断裂时间：t 为觉得温度；常数岛和 a ，系数，产1 ，2 ，3 由试验数据确定；c 。k - - - - 1 ，2 ，3 ，4 为待定参数。 6 断裂力学法 2 7 - 3 1 i 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总寿命的一半以上。 研究表明：c 是一些管线材料蠕变裂纹扩展的控制参数。处于平面应变状态下的管材， 裂纹扩展速率d a d t 与c 之间关系为： d a d t = a c + o 8 7 ( 1 1 7 ) 式中：a 一常数； c 一j 积分速率。 对式( 1 - 1 7 ) 进行积分可得到裂纹长度a 与寿命t 之间的关系。由于蠕变是时间的 相关过程，但c + 是服役时间t 及裂纹长度a 的函数，对式( 1 - 1 7 ) 采用普遍积分方法是 不合适的，采用数值算法计算结果比较符合实际。 这种方法从断裂力学的角度出发，综合考虑了管线的当前性能和裂纹的扩展，比较 客观地反映了管线达到破坏的过程。c + 法有大量蠕变断裂扩展工作的基础，寿命预测精 度比较准确。 7 多元回归法1 3 ：, 3 3 1 由大连理工大学材料工程系高温研究室研究提出的多元回归方法以持久强度外推模 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 一互些篓曼塑墨堡垄三苎篁丝塞全堡堕堡箜塞塑墨竺塑塑窒兰墅垄 种寿命预测方法a 这种方法，依据运行历程和组织的硬度及化学成分计算寿命，比简单 的k - d 法、l - m 法外推法进了一步，节省了大量的持久性能实验，但这种方法对异常条 件下的管线不适用。 1 3 2 寿命评估技术实用方法 近年来国内外对高温炉管剩余寿命评估技术的研究投入了大量的人力和物力，提出 了多种预测炉管剩余寿命的方法，归纳起来可大致分为间接法和直接法，直接法即非破 坏检查和破坏检查两类剩余寿命评估技术；间接法即理论解析法。解析法和破坏检查时 间较长，而非破坏检查可在较短时间，对较多部位进行诊断，且能定期监测，所以非破 坏检测的剩余寿命诊断更为实用。 1 3 2 1 非破坏性检测的剩余寿命评估技术 1 金属组织变化测定法1 3 4 炉管材料在高于其再结晶温度的环境下工作时，即使其工作应力低于该温度下的弹 性极限，但随着工作时间的延长，还是会发生缓慢的塑性变形( 蠕变) ，其主要表现为炉 管材料珠光体的球化、石墨化、碳化物的析出和形成蠕变空洞。金属组织变化测定法就 是通过测定组织的变化来评价炉管的剩余寿命。这种方法需要事先搞清楚金属组织变化 与寿命之间的定量关系。目前比较成熟的方法有a 参数法 3 4 - 3 6 】、晶粒变形法 3 4 , 3 6 、微结 构法3 4 】和空洞面积率法 1 7 , 3 4 - 3 8 】。 a 参数法是英国( e r a 、c e g b ) 、美国( e p ) 于1 9 8 3 年提出的方法，其主要思 路是沿主应力方向引一参考线，a 参数就是参考线横切晶界总数与存在空洞晶界数的比 值。对一般低合金钢，剩余寿命与空洞份数a 的关系为： t r e m = t u 一( 1 一a ) 】一1 ) ( 卜1 8 ) 式中：a 一晶界空洞百分数； t 一运行时间； t r e m - - 寿命寿命时间。 预先求得各种材料的a 参数与蠕变寿命比，通过复制试样法测定a 参数，从而预测 其剩余寿命。 空洞面积率是空洞所占面积与全观察面积的比值，它比较容易计算且与寿命的相关 性好。这种方法是用带有网格目镜的金相显微观察金相试样，以一定面积的网格接点作 为测试网格计点，蠕变空洞占据的结点数与测试网格总结点数之比就等于单位面积上的 空洞面积率a 。再将测得的空洞面积率a 代入剩余寿命经验计算公式。目前使用较多的 是德国5 级评定标准【3 6 】，适用于常用的低合金钢，通过半定量的评级标准图片来估计管 段的损伤状况。 有些材料往往寿命后期才出现空洞，此时用a 参数法和空洞面积率法难于定量早期 的损伤，而用晶粒变形法较为合适。借用定量金相的有向性组织原理，对晶粒变形的特 征进行研究，得出晶粒取向程度和晶粒变形程度的定义： e = 【p ，- e d p 。+ o ，5 7 1 p a l 1 0 0 d = l 。一l ，】 l a + o 5 7 1l v 1 0 0 式中：p ，一垂直方向晶粒弦长数： ( 1 。1 9 ) ( 1 2 0 ) 至燮墨堕塑垦塑三苎篁垡塞皇堡堕盗茎塞堑墨竺盟堑塞兰墅茎 p 。一水平方向晶粒弦长数； l 。一水平方向晶粒弦长； l 。一垂直方向晶粒弦长： e 一晶粒变形取向度； d 一晶粒变形程度。 分别测定与应力轴平行和垂直的晶粒的弦长及个数可得到e 和d 值，并根据晶粒变 形取向度e 、晶粒变形程度d 与损伤率之间的关系【3 6 】估计管段的损伤程度。 结构分类方法主要依据材料的组织变化，析出物的变化以及物理损伤来综合定量寿 命损耗。随着计算机图象技术的发展，这些方法已经很容易实现。 2 硬度变化测定法【3 4 剐i 硬度是一个表征材料强度水平的宏观性能指标 度h 与使用温度t 及使用时间t 的关系如下： h = f ( p ) 其大小与温度的变化密切相关，硬 1 - 2 1 ) 其中p 为l m 参数。 通过试验可确定具体的关系式，从而可利用硬度的变化来预测金属的使用温度。硬 度测定法，能够掌握蠕变损伤的全过程，但由于数据带宽及初期硬度的影响，需要对硬 度进行定期监测，并对数据进行修正，以提高数据测定的精度。评价剩余寿命前要先建 立对象材料其硬度变化与蠕变断裂寿命、温度一时间等必要的相关数据。文献口9 】应用此 方法评价了已服役的一段转化炉h k 。4 0 炉管，取得较满意的效果。该方法简单易行，用 处较大。 3 碳化物粒子粗化分析法p 6 | 在长时间服役的过程中，材料中析出的细小碳化物粒子会逐渐长大，这种粒子粗化 现象是组织老化的一个重要特征，粒子的粗化过程受温度等因素的影响，有： d t 3 - - d j = g t ( 1 2 2 ) 式中：d 。一已服役材料的粒予直径； d o 一新材料的粒子直径； g 一碳化物粒子长大速率。 采用图象分析仪和定量金相技术可统计出粒子的平均尺寸，求出其长大速率g 值， 利用相关经验公式可计算出管段的使用温度，并可用极限尺寸分析方法预测其剩余寿命。 4 定量金相法1 3 2 , 4 0 , 4 1 1 定量金相技术是利用体视学原理，由二维金相磨面或薄膜上的显微组织的测量和计 算来确定合金组织的定量三维空间形貌，在此基础上，建立合金成分、组织和性能的定 量的关系。 定量金相分析的关键为： ( 1 ) 选择能够和欲求定的材料性能指标相关的组织特征参数； ( 2 ) 组织特征参数的测量一编制与测量要求相适应的计算机程序； f 3 ) 根据所求的组织特征参数推导材料损伤程度和剩余寿命之间的关系。 5 t l v i p 法1 4 2 i t m p 法由大连理工大学材料系高温材料研究室与齐鲁石化公司第二化肥厂经过3 年 的合作研究出来，并在实际应用中对延长换热管的寿命和预测换热器的更换起到了较好 一1 0 - 互些鳌茎壹垫墨垄三兰篁垡室全堡堕盗堑室量墨堕塑塑塞兰茎垄 的参考作用 4 2 , 4 3 。 t m p 法是以金相法为基础，t ( t e m p e r a t u r e ) 表示各组预热器的外壁最高温度，它 既是金相检查的依据，也是用于寿命评估的工作温度；m ( m i c r o s t r u c t u r e ) 表示对应于 最高温度岁 壁处的显微组织，是金相检查需要记录信息；p ( p r o p e r 哟表示与金相检查所 得显微组织对应的材料的力学性能，据此可对设备的运行状况进行评估。 6 无损检测法【2 2 , 3 5 , 4 4 1 材料在负荷状态和高温下长期使用会受到蠕变损伤，在材料内部产生细微的缺陷( 间 隙、裂纹) ，发生物性变化( 软化) ，致使超声波特性发生变化。利用此变化，找出材料 损伤与各种超声波特性变化的相关性来评价炉管材料的剩余寿命。此法缺点是灵敏度不 高，小于2 m m 的裂纹检查不出来，另外只能定性评价，但该方法简便、快速，许多工 程人员将该法视为很有效的。 目前还有一种无损检测技术在欧美国家普遍采用，作为有效的炉管状态评估手段， 其原理是设备停车后，通过超声测厚装置大面积测量炉管内壁氧化层厚度及金属层厚度， 根据内壁氧化层厚度与管壁温度及运行时间之间的理论及经验公式评估管子的当量金属 温度，进而在考虑温度、应力、壁厚减薄等综合因素情况下估算炉管材料的剩余寿命。 该技术的意义主要体现在两方面：早期寿命诊断，预防爆管：大面积无损检查，找出损 伤严重的炉管，适时更换，预防爆管，使检查工作变被动的先爆后换