高温炉管安全评价和寿命预测系统

高温炉管安全评价及寿命预测系统第1页石油化工行业是当代工业体系中主要组成部分，制氢炉、转化炉、裂解炉是石化行业关键高温设备，高温炉管是这些设备关键部件。炉管服役条件恶劣，承受高温(900℃~1200℃)、高压(2.5~5MPa)及夹带颗粒腐蚀性气体冲蚀。前言第2页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。任何一根炉管损坏，均将造成整个装置停车，除造成巨大经济损失外，还极易引发怒灾、爆炸和人身伤亡事故。前言第3页制氢炉转化炉第4页炉内炉管排列第5页图1炉管爆裂第6页图2高温炉管蠕变裂纹第7页对炉管性能要求：良好抗渗碳性能；良好耐腐蚀性能；良好抗高温蠕变性能；良好抗热疲劳性能；良好抗氧化性能；良好导热及焊接性能第8页当前我国惯用型号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。第9页图3高温炉管铸态组织示意图第10页图4高温炉管宏观组织示意图第11页合金元素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高温炉管化学成份HP40耐热钢其Ni含量比HK40提升了15%，目标是为了提升炉管在高温区性能。Ni含量增加也提升了抗氧化和抗渗碳能力，降低了碳在奥氏体中溶解度。在含碳量相同情况下，HP40比HK40炉管共晶碳化物多，故使蠕变断裂抗力提升。第12页造成炉管失效原因大致可分为以下三类：1、外应力或热应力引发失效：蠕变变形；蠕变断裂；热疲劳破坏等。2、腐蚀引发失效：氧化；渗碳；氢腐蚀；硫腐蚀；钒腐蚀及氮化等。3、材质劣化或材质缺点引发失效：

相脆化；组织劣化；475℃脆化；材质冶金缺点等。第13页温度、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交界处形成。随蠕变进行，空洞增加并沿碳化物连接起来形成微裂纹。随即，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，最终造成炉管开裂。第14页破裂管新管蠕变孔洞图6高温炉管蠕变裂纹蠕变裂纹第15页当前高温炉管安全评价技术体系：

涡流检测

化学成份分析

渗透检测

渗碳层厚度测量

超声检测

腐蚀情况分析

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第16页超声检测：高温炉管是离心铸造奥氏体不锈钢，料晶粒粗大、表面粗糙。超声波检测大晶粒奥氏体不锈钢碰到两个主要问题是粗大树枝状晶和晶粒择优取向，因为声阻抗改变，晶界散射使较大部分能量耗散在晶界上，常规超声检测方法是无法进行检测。第17页图7高温炉管粗大树枝状组织第18页图8超声反射法检测第19页早在70年代末，国外就投入了大量人力物力开展了高温炉管检测技术研究，1982年，美国Conam企业在我国辽河化肥厂进行了首次现场实际检测，但其关键技术一直对外保密。伴随我国国民经济发展，大型炼油装置和合成氨装置不停引进，迫切需要快速、准确高温炉管检测技术。第20页国内最早开展高温炉管检测技术研究是大连理工大学，从1983年开始就着手此项技术研究，成功地开发了利用透射法检测HK40材料高温炉管，波形清楚，定性准确，并在炉管损伤形式、级别评定及寿命预测方面进行了大量研究工作，成功地替换国外技术在全国进行了推广应用。第21页图7超声透射法检测

Tn第22页爬管机高温炉管探头图8超声波检测系统第23页统计系统爬管机图9超声检测设备第24页图10超声检测统计曲线第25页图11获奖证书（1）第26页个人介绍图12获奖证书（2）第27页本项目已被辽宁省科技厅列为年辽宁省第一批重大共性推广技术本项目已申报年全国安全生产百项先进适用技术图13获奖证书（3）第28页主要应用单位（排名不分先后）

中国石油大连石化企业

大连西太平洋石油化工有限企业

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

中油辽河石化分企业

湖南洞庭氮肥厂第29页

盘锦化工有限责任企业

杭州大通合金炉管厂

扬州新华合金炉管厂

辽阳石化分企业化工一厂

广东华立合金炉管企业

本溪北方化工集团

新疆阿克苏华锦化肥有限责任企业

巴陵石化鹰山石油化工厂

河南中原化肥厂

中石油大港石化分企业

中国石化杭州炼油厂第30页

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企业

中国石化金陵石化企业炼油厂

辽阳石化分企业炼油厂

辽河油田化工总厂

中国石化镇海炼化分企业

齐鲁石化第一化肥厂

中石油锦西石化分企业

中国石化天津炼油厂

中石油青海油田格尔木炼油厂第31页伴随炉管逐步改用薄壁HP-Nb材料，而且检修期间隔越来越长，原有检测技术就显得比较粗糙，伎俩比较单一，当前国际国内在HP-Nb材料检测技术上还依赖原有超声检测技术，也无对应国家标准和规范，只有原美国CONAM企业针对HK40材料企业规范。第32页改进1：操作系统。选区光阑波形回放焊缝标注存放打印图14改进操作系统第33页图15统计曲线（1）第34页图16统计曲线（2）第35页改进2.设计了可调参数探头架。图17不一样壁厚炉管声束传输路径(a)HK40厚壁管(b)HP40薄壁管(a)(b)第36页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点标识改进3.增加爬行装置功效。图18炉管爬行装置第37页改进4：蠕胀连续测量。下一步计划：非接触检测；损伤级别评定；蠕变损伤早期预警；第38页组织分析：炉管组织改变是评价炉管状态主要伎俩之一。基体组织：A+M7C3。随运行时间增加，骨架状碳化物→网链状，网链状越显著，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。第39页HP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几个不一样状态下HP-40Nb炉管微观组织第40页蠕胀测量：炉管长久在高温、高压下运行时，不可防止地会产生蠕胀现象，造成炉管外径发生改变。硬度测量：组织改变造成硬度下降。化学成份分析：运行时间延长，化学成份发生改变。X射线衍射：观察组成相改变。力学性能测试：常温、高温。第41页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