WO2025139069A1 含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法 （合肥通 用机械研究院有限公司）

(19)世界知识产权组织(43)国际公布日(10)国际公布号(51)国际专利分类号：(21)国际申请号：PCT/CN2024/1(22)国际申请日：2024年9月13日(13.09.2024)(25)申请语言：中文(26)公布语言：中文(30)优先权：(71)申请人：合肥通用机械研究院有限CN];中国安徽省合肥市蜀山区长江西路888号230031(CN)。(72)发明人：陈涛(CHEN,Tao);中国安徽省合肥市蜀山区长江西路888号230031(CN)。连晓明(LIAN,Xiaoming);中国安徽省合肥市蜀山区长江西路888号230031(CN)。范志超(FAN,Zhichao);中国安徽省合肥市蜀山区长江西路888号230031(CN)。陈学东(CHEN,Xuedong);中国安徽省合肥市蜀山区长江西路888号230031(CN)。(74)代理人：合肥和瑞知识产权代理事务所(普通合OFFICE);中国安徽省合肥市蜀山区潜山路188号蔚蓝商务港城市广场F幢1711室230031(CN)。(81)指定国(除另有指明，要求每一种可提供的国家保护):AE,AG,AL,AM,AO,AT,(54)发明名称：含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法BBGrainboundaryinBH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CCV,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EGB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,IDIR,IS,IT,JM,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KLA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,MGMU,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SASE,SG,SK,SL,ST,SV,SY,TH,TJUA,UG,US,UZ,VC,VN,WS,ZA,ZM(84)指定国(除另有指明，要求每一种可提供的地区NA,RW,SC,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),欧洲(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GBHU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,ME,MK,MTPL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OAPI(BFCG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML(57)摘要：一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法。通过对含铝耐热合金炉管横截面进行显微组织观察分析，确定了奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂3C₆的面积分数影响因子A、奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C3的面积分数影响因子B和奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C3的长径比影响因子C;设计出含铝耐热合金炉管在1100℃条件下蠕变阶段的影响函数，能快速判断该含铝耐热合金炉管所处的蠕变阶段。为评估含铝耐热合金炉管服役状态、判断炉管更换时间提供依据，为石化乙烯装置管理人员制定检修策略、保障装置安全稳定运行提供参考。1含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法技术领域本发明属于乙烯裂解炉技术领域，特别是一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法。背景技术乙烯裂解炉是石化乙烯装置核心设备，炉管是其关键部件，一般由耐热合金材料离心铸造而成，包括入口管和出口管，其中入口管服役温度为1100℃。乙烯裂解炉在长期运行过程中，高温蠕变是炉管主要蠕变损伤机理之一。耐热合金材料的蠕变损伤一般分为三个阶段：蠕变第一阶段、蠕变第二阶段和蠕变第三阶段，蠕变第一阶段也称为减速蠕变阶段，合金应变速率随蠕变时间的增加而逐渐降低，此阶段持续时间占蠕变总时间一般在5%~10%不等；蠕变第二阶段，即稳态蠕变阶段，合金应变速率随蠕变时间的增加不发生显著变化，且持续时间一般相对较长，占蠕变总时间一般在80%~90%不等；蠕变第三阶段，即加速蠕变阶段，合金相应应变速率随蠕变时间的增加快速升高，直至蠕变断裂的发生，持续时间一般也较短，一般占蠕变总时间5%~10%不等。对于乙烯裂解炉管，一旦蠕变损伤进入第三阶段，往往伴随着蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生，即炉管材料进入蠕变寿命的末期。为保障乙烯装置长周期安全运行，及时甄别服役中的炉管蠕变损伤状态，判断炉管处于蠕变第一阶段或第二阶段某种状态，为制定炉管检修、更换时机提供技术参考，保障炉管在检修周期内安全稳定运行，成为乙烯行业亟待解决的问题。判断炉管材料处于蠕变损伤何种状态，传统的方法是开展某温度、应力条件下的高温蠕变试验，依据蠕变时间-应变速率曲线来判断，但此种方法有2个缺点：1)高温蠕变试验都是在低于炉管材料高温屈服强度下进行，因此一般试验周期较长，难以满足乙烯装置检修周期短的要求；2)蠕变试验为破坏性取样试验，试样加工所需材料量较多，对炉管本体破坏性较大。2发明内容本发明的目的之一是提供一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法。本发明通过对1100℃服役下含铝耐热合金炉管开展定量组织特征参量分析，设计的影响函数能快速判断含铝耐热合金炉管材料的蠕变阶段，克服了传统高温蠕变试验耗时长、破坏性大的缺点。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案，一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，包括如下步骤：S1、在含铝耐热合金炉管横截面1/4-3/4壁厚部位，进行显微组织观察测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积SI,计算奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁占视场面积So的面积分数A=S₁/S₀×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂,计算奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂占视场面积So的面积分数B=S₂/S₁×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C,单位1;S2、由面积分数A、B和长径比C计算含铝耐热合金炉管在1100℃条件下蠕变阶段的影响函数：其中a为1200,b为-10,c为-0.3;S3、划分含铝耐热合金炉管在1100℃条件下的蠕变阶段：若f(A,B,C)≤10%,判定27Cr44Ni5W3A₁+微合金炉管蠕变状态为蠕变若10%<f(A,B,C)≤30%,判定27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段初期；若30%<f(A,B,C)≤70%,判定27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段中期；3若70%<f(A,B,C)≤90%,判定27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段末期。作为含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法进一步优选的，采用GX53型Olympus金相显微镜进行显微组织观察，放大倍数为1000倍，每件试样随机选取不低于20个视场进行显微组织观察。优选的，采用ImageProPlus6.0软件对显微组织照片进行显微组织分析，测量数据为所有视场测量数据的算术平均值。优选的，采用ImageProPlus6.0软件对显微组织照片进行分析，区域选取时range选取10、thresh选取3、smooth选取1、speed选取2。优选的，炉管材料奥氏体晶界和晶内总析出物包括M₂₃C6型碳化物、优选的，所述含铝耐热合金炉管为27Cr44Ni5W3Al+微合金炉管。本发明相比现有技术的有益效果在于：1)在正常操作工况下，含铝耐热乙烯裂解炉辐射段入口部位的炉管(以27Cr44Ni5W3A1+微合金为例)最高管壁温度可达1100℃。在服役过程中，在高温和内压的作用下，炉管发生蠕变损伤。随着服役时间的延长，蠕变损伤程度加剧。一方面，1100℃条件下，随着服役时间的延长，奥氏体晶界内部细条状M₇C₃型碳化物会逐渐向块状M₂₃C6型碳化物转变，并在奥氏体晶界析出物的边缘长大；另一方面，奥氏体析出的新的二次M₂₃C6型碳化物也在会奥氏体晶界析出物的边缘部位聚集，因此随着服役时间的延长，蠕变损伤的加剧，奥氏体晶界总析出物数量增加，且奥氏体晶界析出物边缘部位块状M₂₃C6型碳化物面积也随之增加，而奥氏体析出物内部细条状M₇C₃型碳化物面积会随之降低。对于奥氏体晶界析出物内部细条状的M₇C₃型碳化物，一方面随着高温下服役时间的增加，M₇C₃型碳化物会逐渐向块状M₂₃C₆型碳化物转变，另一方面，随着蠕变程度的加深，在高温应力的作用下，细条状的碳化物在形态4上也慢慢向短粗化发展，因此奥氏体晶界析出物内部细条状析出物的长径比随着蠕变的进行会逐渐降低。含铝耐热合金炉管晶界和晶内析出物典型显微组织照片如图1所示。2)本发明确定了奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积分数影响因子A、奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积分数影响因子B和奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比影响因子C;设计出含铝耐热合金炉管在1100℃条件下蠕变阶段的影响函数，能快速判断该含铝耐热合金炉管所处的蠕变第一、第二阶段。经过对高温服役前后的相同含铝耐热合金炉管测试蠕变时间、应变速率曲线(1100℃、35MPa条件下典型蠕变时间-应变速率曲线以及不同阶段示意图见图2),计算炉管所处的蠕变阶段，证实本发明的判断方法能够快速、准确评估服役炉管蠕变损伤状态，为炉管更换时间提供依据，为石化乙烯装置管理人员制定检修策略、保障装置安全稳定运行提供参考。附图说明图1是本发明中含铝耐热合金炉管晶界和晶内析出物典型显微组织照图2是本发明中含铝耐热合金炉管1100℃、35MPa条件下典型蠕变时间-应变速率曲线以及不同阶段示意图；图3是本发明实施例1中服役1#含铝耐热合金炉管显微组织的照片；图4是本发明实施例1未服役1#含铝耐热合金炉管1100℃、17MPa条件下蠕变时间-应变速率曲线；图5是本发明实施例2中服役2#含铝耐热合金炉管显微组织的照片；图6是本发明实施例3中服役3#含铝耐热合金炉管显微组织的照片。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。5实施例1本实施例提供一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，具体包括如下步骤：27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管(记为服役1#含铝耐热合金炉管),在该炉管横截面1/2壁厚部位，采用GX53型Olympus金相显微镜进行显微组织观察，放大倍数为1000倍，典型显微组织照片见图3;S2、采用ImageProPlus6.0软件对显微组织照片进行分析，区域选取时range选取10,thresh选取3,smooth选取1,speed选取2;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁,计算奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁占视场面积So的面积分数A=S₁/S₀×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂,计算奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂占视场面积So的面积分数B=S₂/S₁×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C,单位1;切换显微组织观察界面，再随机选取19个视场，计算20次测试中服役1#含铝耐热合金炉管中奥氏体晶界边缘块状析出物M₂₃C6面积分数为1.1%、奥氏体晶界析出物内部细条状析出物M₇C₃面积分数B为3.3%、奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C为9.8;S3、依据蠕变不同阶段时间百分比，定义蠕变尚未开始时为0%t,蠕变第三阶段结束时为100%t;计算服役1#含铝耐热合金炉管在1100℃条件下蠕变阶段的影响函数：=[(1200×0.011-10×0.033-0.3×9.8)/16S4、则f(A,B,C)≤10%,判定1#含铝耐热合金炉管蠕变状态为蠕变第一阶段。验证试验选取与服役1#含铝耐热合金炉管同材质、同规格、同批次且未服役的炉管，开展1100℃、17MPa条件下高温蠕变试验，蠕变时间-应变速率曲线见图4,蠕变试验总时间为to,其中蠕变第一阶段、蠕变第二阶段和蠕变第三阶段时间分别为t₁、t2和t₃,to=t₁+t₂+t₃。试验总蠕变断裂时间为154h,蠕变第一阶段、第二阶段和第三阶段时间分别为16h、119h和9h。选取服役1#含铝耐热合金炉管开展1100℃、17MPa条件下高温蠕变试验，试验总蠕变断裂为140h。与未服役新炉管相比，服役1#含铝耐热合金炉管在1100℃、17MPa条件下服役一段时间后，蠕变寿命损耗为14h,约占未服役新炉管蠕变总寿命的9%,判断服役1#含铝耐热合金炉管蠕变状态处于蠕变第一阶段。此判断结果与蠕变程度影响函数的计算结果相符。实施例2本实施例提供一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，具体包括如下步骤：27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管(记为服役2#含铝耐热合金炉管),在该炉管横截面3/5壁厚部位，采用GX53型Olympus金相显微镜进行显微组织观察，放大倍数为1000倍，典型显微组织照片见图5;S2、采用ImageProPlus6.0软件对显微组织照片进行分析，区域选取时range选取10,thresh选取3,smooth选取1,speed选取2;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C₆的面积SI,计算奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁占视场面积So的面积分数A=S₁/So×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂,计算奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积7S₂占视场面积So的面积分数B=S₂/S₁×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C,单位1;切换显微组织观察界面，再随机选取32个视场，计算33次测试中服役2#含铝耐热合金炉管材料奥氏体晶界边缘块状析出物M₂₃C6面积分数为3.7%、奥氏体晶界析出物内部细条状析出物M₇C₃面积分数B为3.0%、奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C为7.1;S3、依据蠕变不同阶段时间百分比，定义蠕变尚未开始时为0%t,蠕变第三阶段结束时为100%t;计算服役2#含铝耐热合金炉管在1100℃条件下蠕变阶段的影响函数：=[(1200×0.037-10×0.030-0.3×7.1)/1S4、则f(A,B,C)在30%~70%之间，判定2#含铝耐热合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段中期。验证试验选取与服役2#含铝耐热合金炉管同材质、同规格、同批次且未服役的炉管，开展1100℃、17MPa条件下高温蠕变试验，得到蠕变时间-应变速率曲线，蠕变试验总时间为to,其中蠕变第一阶段、蠕变第二阶段和蠕变第三阶段时间分别为t₁、t₂和t₃,to=t1+t₂+t₃。试验总蠕变断裂时间为87h,蠕变第一阶段、第二阶段和第三阶段时间分别为5h、56h和6h。选取服役2#含铝耐热合金炉管开展1100℃、17MPa条件下高温蠕变试验，试验总蠕变断裂为20h。与未服役新炉管相比，服役2#含铝耐热合金炉管1100℃、17MPa条件下服役一段时间后，蠕变寿命损耗为67h,约占未服役新炉管蠕变总寿命的44%,判断服役2#含铝耐热合金炉管蠕变状态处于蠕变第二阶段中期。此判断结果与蠕变程度影响函数的计算结果相符。实施例38本实施例提供一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管(记为服役3#含铝耐热合金炉管),在该炉管放大倍数为1000倍，典型显微组织照片见图6;range选取10,thresh选取3,smooth选取1,speed选取2;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁,计算奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁占视场面积So的面积分数A=S₁/S₀×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂,计算奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂占视场面积So的面积分数B=S₂/S₁×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C,单位1;切换显微组织观察界面，再随机选取25个视场，计算26次测试中服役3#含铝耐热合金炉管材料奥氏体晶界边缘块状析出物M₂₃C6面积分数为6.8%、奥氏体晶界析出物内部细条状析出物M₇C₃面积分数B为2.6%、奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C为4.1;S3、依据蠕变不同阶段时间百分比，定义蠕变尚未开始时为0%t,蠕变第三阶段结束时为100%t;计算服役3#含铝耐热合金炉管在1100℃条件下=[(1200×0.068-10×0.026-0.3×4.1)/1S4、则f(A,B,C)在70%~90%之间，判定3#含铝耐热合金炉管蠕变状态9验证试验选取与服役3#含铝耐热合金炉管同材质、同规格、同批次且未服役的炉管，开展1100℃、17MPa条件下高温蠕变试验，得到蠕变时间-应变速率曲线，蠕变试验总时间为to,其中蠕变第一阶段、蠕变第二阶段和蠕变第三阶段时间分别为t₁、t₂和t₃,to=t₁+t₂+t₃。试验总蠕变断裂时间为154h,蠕变第一阶段、第二阶段和第三阶段时间分别为15、122h和17h。选取服役3#含铝耐热合金炉管开展1100℃、17MPa条件下高温蠕变试验，试验总蠕变断裂为30h。与未服役新炉管相比，服役3#含铝耐热合金炉管1100℃、17MPa条件下服役一段时间后，蠕变寿命损耗为124h,约占未服役新炉管蠕变总寿命的81%,判断服役3#含铝耐热合金炉管蠕变状态处于蠕变第二阶段末期。此判断结果与蠕变程度影响函数的计算结果相符。本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。1、一种含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、在含铝耐热合金炉管横截面1/4-3/4壁厚部位，进行显微组织观察测得视场面积S₀内炉管材料奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C₆的面积S₁,计算奥氏体晶界析出物的边缘块状析出物M₂₃C6的面积S₁占视场面积So的面积分数A=S₁/So×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂,计算奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的面积S₂占视场面积So的面积分数B=S₂/S₁×100%,单位1;测得视场面积So内炉管材料奥氏体晶界析出物的内部细条状析出物M₇C₃的长径比C,单位1;S2、由面积分数A、B和长径比C计算含铝耐热合金炉管在1100℃条件下蠕变阶段的影响函数：其中a为1200,b为-10,c为-0.3;S3、划分含铝耐热合金炉管在1100℃条件下的蠕变阶段：若f(A,B,C)≤10%,判定27Cr44Ni5W3A1+微合金炉管蠕变状态为蠕变若10%<f(A,B,C)≤30%,判定27Cr44Ni5W3Al+微合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段初期；若30%<f(A,B,C)≤70%,判定27Cr44Ni5W3A₁+微合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段中期；若70%<f(A,B,C)≤90%,判定27Cr44Ni5W3Al+微合金炉管蠕变状态为蠕变第二阶段末期。2、根据权利要求1所述的含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，其特征在于，采用GX53型Olympus金相显微镜进行显微组织观察，放大倍数为1000倍，每件试样随机选取不低于20个视场进行显微组织观察。3、根据权利要求1或2所述的含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，其特征在于，采用ImageProPlus6.0软件对显微组织照片进行显微组织分析，测量数据为所有视场测量数据的算术平均值。4、根据权利要求3所述的含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，其特征在于，采用ImageProPlus6.0软件对显微组织照片进行分析，区域选取时range选取10、thre5、根据权利要求1所述的含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，其特征在于，炉管材料奥氏体晶界和晶内总析出物包括M₂₃C₆型碳化物、M₇C₃型碳化物和Ni₃A1相。6、根据权利要求1所述的含铝耐热合金炉管1100℃服役温度下蠕变阶段的判断方法，其特征在于，所述含铝耐热合金炉管为27Cr44Ni5W3Al+微合金炉管。第三阶段t第…阶段t,BdAZI`0.00TI·860L8TT/tZ0ZND/1DdAccordingtoInternationalPatentClassification(IPC)ortobothnationaMinimumdocumentationsearched(classificationsystemfollowedbyElectronicdatabaseCNTXT,ENTXTC,VEN,CNKI,万方，WANFANG,WebofScience:蠕变，阶段，炉管，面积，长径比，M23C6,M7C3,27Cr44Ni5W3AlCreep,stage,furnacetube,area,aspCitationofdocument,withindication,whereappropriate,oftherPXCN117969504A(HEFEIGENERALMACHINERYRESEetal.)03February2023AJPH0943128A(HITACHI,LTD.)14February1997(1ACN105910921A(SHENYANGUNIVERSITYOFtobeofparticularrelevance“D”documentcitedbytheapplicantintheinternationalapplication““E”earlierapplicationorpatentbutp“L”documentwhichmaythrowdoubtsonpriorityclaim(s)orwhichis“Y”documentspecialreason(asspecified)“0”documentreferringtoanoraldisclosure,use,exhibitmeans"P"documentpublisheFormPCT/ISA/210(secondshAAJPH0634625A(MITSUBISHIHEAVYICN113533674A(CHINASPECIALEQUIPMEFormPCT/ISA/210(secon