球化1Cr5Mo加熱爐爐管的剩余壽命評價研究

韓志遠 王 莉 王鑫晟 曹邏煒 劉 文 謝國山 杜晨陽 邢 健

（1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

（2.國家市場監督管理總局特種設備安全與節能重點實驗室 北京 100029）

（3.江蘇斯爾邦石化有限公司 江蘇 215228)

1 概述

加熱爐是石化企業成套裝置常見的工藝設備，加熱爐爐管直接受火焰加熱，且承受一定壓力，易出現高溫材質劣化及蠕變等損傷，其損傷機理與高溫承壓特種設備類似，而出現材質劣化后的爐管是否能夠繼續安全使用也是企業及裝置中極為關心的問題。某石化企業二甲苯裝置異構加熱爐投用至今已使用30多年。該爐對流段主要用來預熱抽余液塔底物料，輻射段主要用于加熱異構反應器進料包括間二甲苯、乙苯、氫氣等。2012年對該輻射段爐管進行了更換，2018年金相檢測也發現新更換的輻射段爐管存在4-5級球化。本文通過金相檢測、壁厚檢測、有限元應力分析、強度校核、蠕變斷裂校核評估等研究工作，評價球化爐管的安全性及剩余壽命，為爐管繼續安全運行提供依據，也為存在球化等材質劣化問題的蒸汽管道等其他承壓類特種設備的壽命評價提供方法支持。

該輻射段爐管材料為1Cr5Mo，運行介質為間二甲苯、乙苯、氫氣，設計最高溫度443℃，設計最高壓力2.47MPa，直徑219mm，名義壁厚10mm。但爐管實際服役過程中出現過超溫現象，管壁溫度的現場紅外檢測結果見圖1。對于輻射段爐管，從圖1中可以看到，各個位置的溫度相差較大，爐管下部接近噴火嘴部位局部溫度較高。按保守處理，取測量最高溫度為管壁溫度進行計算，為550℃。

圖1 爐管壁溫紅外檢測結果

2 現場檢測結果

爐管現場宏觀檢測發現表面存在一定銹蝕，見圖2。經測量，輻射段S含量均小于5ppm，其主要腐蝕機理為高溫H2S/H2腐蝕以及高溫氧化腐蝕。由于無法未測量各爐管的初始實際壁厚，若采用名義壁厚計算腐蝕速率可能存在不保守情況，因此實測腐蝕速率保守地采用直管段及彎頭實測最大厚度減實測最小厚度除以使用時間進行計算，經計算輻射段直管段實測最大壁厚10.4mm，最小壁厚9.2mm，因此計算得到的腐蝕速率為0.2mm/年。另外，考慮以往運行超溫可能達到550℃，且未來運行無有效措施保證不超溫而出現氧化腐蝕，輻射段高溫氧化速率保守定為0.03mm/年。

圖2 爐管表面銹蝕

另外，現場金相檢測發現爐管直管母材、彎頭母材金相檢測位置均有珠光體球化現象，見圖3，球化級別參照DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗與評定技術導則》標準已達到4-5 級[1]，部分爐管打磨1.0mm 后仍有珠光體球化現象，球化等級為4級。由于球化會導致爐管強度降低，因此對爐管進行布氏硬度檢測，以分析爐管抗拉強度降低水平，實測最低硬度值為105HB。

圖3 爐管現場金相檢測結果

3 強度校核及壽命評估

由以上現場檢測結果可知，爐管在運行過程中存在超溫歷史，并且發生了嚴重的球化現象。球化一般會導致材料強度以及抗蠕變性能的降低，因此會對爐管的靜強度失效以及蠕變斷裂失效產生影響。本文就分別針對這兩種失效模式，并根據檢測結果及設計準則對爐管進行強度校核及壽命評估。

在失效載荷方面，本文按保守處理，將輻射段爐管計算壓力按設計壓力2.47MPa，金屬最高壁溫按設計溫度443℃及超溫溫度550℃。按每年使用8760h計算，爐管已使用52560h。同時采用有限元方法，計算爐管在當前超溫情況下的應力水平。

在失效抗力方面，由于SH 3037—2002《煉油廠加熱爐爐管壁厚計算》中彈性設計使用的許用應力以及蠕變——斷裂設計使用的拉森——米勒爾曲線僅適用于不存在材質劣化的原始材料[2]，而該輻射段爐管已存在4-5級球化的材質劣化現象，因此采用替代方法保守估計存在材質劣化材料的許用應力及拉森-米勒爾曲線。其中4-5級球化1Cr5Mo材料的許用應力根據硬度檢測結果及GB/T 35018—2018《承壓設備合于使用評價》中的方法進行折算[3]，4-5級球化1Cr5Mo材料的拉森——米勒爾曲線采用文獻值進行替代。

3.1 應力分析

加熱爐管采用有限元軟件進行模擬應力分析，為保證管系應力分析準確性建立爐管全三維模型，同時為簡化建模及計算量，采用管單元建模計算。

1）實體建模。

爐管結構尺寸及材料參考設計資料，其中當前管壁厚度采用實測值代替，未來管壁厚度采用預測值代替。

材料選用理想線彈性模型，材料性能數據選自SH 3037—2002[2]，使用高階管單元PIPE288及EBLOW290進行應力分析，其中直管部分采用PIPE289單元，彎管部分采用EBLOW290單元。采用六面體網格劃分，最終模型的網格節點數為701，單元數為350。根據實際約束位置，對爐管進出口位置施加X向及Z向位移約束，對爐管底部彎頭中心節點施加全位移約束，對爐管頂部彎頭中心節點施加X向或Z向約束。按照設計工況，對爐管施加2.47MPa內壓，施加443℃及550℃溫度載荷。施加重力載荷，重力加速度9.8m/s2。

有限元模型的網格劃分結果如圖4所示。

圖4 加熱爐管有限元網格劃分

2）應力分析結果。

在當前管壁厚度下的有限元應力分析結果如圖5所示，輻射段爐管應力強度26.7～32.40MPa，且受溫度影響不大，其中爐管最大應力強度略高于理論計算值28.16MPa，如圖6所示，高應力部位主要位于彎頭位置，而直管段與理論值基本一致，說明管系變形不協調導致的輻射段轉化爐管熱應力較低，管系限位及支撐等布置較為合理。對于未來管壁厚度發生進一步減薄的情況，根據腐蝕速率估算未來管壁厚度，并根據以上方法計算相應的應力強度，分析結果如圖6所示。

圖5 爐管應力強度云圖分析結果（當前管壁厚度）

圖6 爐管應力理論計算值與有限元計算最大值隨時間變化情況

3.2 彈性設計校核及剩余壽命計算

爐管靜強度壽命評價主要根據設計標準SH/T 3037-2002進行彈性設計校核[2]，分析爐管應力是否滿足許用用力要求。依據該標準，1Cr5Mo材料在443℃下的彈性許用應力為105MPa，如果超溫到550℃則彈性許用應力為85MPa。由于爐管受火受熱后已發生4-5級球化，可根據GB/T 35013—2018按受火材料處理[2]，由式（1）來確定受火材料的許用應力：

式中：

[σ]afd——受火發生材質劣化材料的許用應力，MPa；

σht——由現場硬度測定值轉換得到的抗拉強度換算值，MPa；

[σ]a——現場硬度測量溫度下材料的許用應力，MPa；

[σ]t——設計溫度下材料的許用應力，MPa；

nism——在用安全系數，可取原始設計標準中抗拉強度對應的安全系數，如果nism未知，也可取推薦值3.0；

nh——由硬度轉換得到的抗拉強度確定許用應力時采用的安全系數，一般取1.2，對于Q245R和Q345R，nh可取 1.05。

實測4-5級球化的1Cr5Mo材料最小硬度值105 HB，根據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》及GB/T 33362—2016標準《金屬材料 硬度值的換算》[4，5]，將硬度測量值轉換為抗拉強度值為350MPa，根據式（1）計算得到4-5級球化的1Cr5Mo材料在設計溫度443℃下的彈性許用應力為78.53MPa，在超溫到550℃下的彈性許用應力為63.57MPa。

按以上計算的許用應力及圖計算得到的應力強度，可以得到結論：在設計溫度443℃下基于彈性設計的爐管剩余壽命為23年，在超溫工況550℃下基于彈性設計的爐管剩余壽命為21年。

3.3 蠕變——斷裂設計校核及剩余壽命計算

爐管蠕變壽命的評價主要根據設計標準SH/T 3037-2002的蠕變——斷裂設計校核，按照該標準附錄A中的方法估算爐管蠕變——斷裂剩余壽命[1]。但不同之處在于，本文所分析的爐管存在4-5級球化的材質劣化現象。由于無法割管進行測試，球化1Cr5Mo材料的拉森——米勒爾曲線采用文獻值進行替代，文獻[5-8]中的球化1Cr5Mo材料的持久強度數據如圖7（a）所示[6-9]，根據這些數據擬合的95%下限拉森-米勒爾曲線如圖7（b）所示，圖中同時也給出了標準中1Cr5Mo原始材料的下限斷裂強度。由圖7（b）可見，在高應力下，原始材料的持久性能要優于球化材料，但是在低應力下兩者卻區別很小，這說明球化對于該爐管材料持久性能的影響并不明顯。

圖7 球化1Cr5Mo材料的持久強度數據

設定從爐管2012年為第一個操作周期，并且保守認為球化從開始運行的很短時間內就發生，在此條件下計算爐管剩余使用壽命。計算未來剩余壽命分數時，以1年為1個周期，在設計溫度443℃以及超溫溫度550℃條件下每個周期的累積損傷情況如圖8所示。

圖8 爐管累積損傷隨時間變化情況

根據圖8中的計算結果，當爐管累計損傷達到1.0時將發生失效破壞，因此在設計工況溫度443℃條件下爐管的蠕變——斷裂剩余壽命為31年，而當爐管超溫到550℃，則超溫條件下的蠕變——斷裂剩余壽命則縮短為14年。

4 結論

本文結合爐管現場檢測結果，建立了存在超溫及嚴重球化爐管的壽命評價方法，也為存在球化等材質劣化問題的承壓類特種設備的壽命評價提供了方法支持。主要結論如下：

1）采用有限元方法分析了爐管的應力情況，并根據受火材料硬度折算許用應力的方法進行了球化爐管的彈性設計校核，在設計溫度443℃下計算的爐管剩余壽命為23年，在超溫工況550℃下計算的剩余壽命為21年。

2）根據文獻統計的球化爐管持久性能進行了球化爐管的蠕變——斷裂校核，在設計溫度443℃下計算的爐管剩余壽命為31年，在超溫工況550℃下計算的剩余壽命為14年。

3）綜合以上各種分析結果，當存在可能的超溫工況550℃情況下，爐管的剩余壽命不超過14年。

4）為保證爐管使用安全，必須保證輻射段操作壓力、操作溫度的平穩，特別要嚴格控制操作溫度的波動，嚴禁超溫運行，工藝允許條件下建議取溫度低限值運行。