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(shè)備檢測研究院 北京 100029）

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

（3.江蘇斯?fàn)柊钍邢薰?江蘇 215228)

1 概述

加熱爐是石化企業(yè)成套裝置常見的工藝設(shè)備，加熱爐爐管直接受火焰加熱，且承受一定壓力，易出現(xiàn)高溫材質(zhì)劣化及蠕變等損傷，其損傷機理與高溫承壓特種設(shè)備類似，而出現(xiàn)材質(zhì)劣化后的爐管是否能夠繼續(xù)安全使用也是企業(yè)及裝置中極為關(guān)心的問題。某石化企業(yè)二甲苯裝置異構(gòu)加熱爐投用至今已使用30多年。該爐對流段主要用來預(yù)熱抽余液塔底物料，輻射段主要用于加熱異構(gòu)反應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(yīng)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(xù)安全運行提供依據(jù)，也為存在球化等材質(zhì)劣化問題的蒸汽管道等其他承壓類特種設(shè)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(zhì)為間二甲苯、乙苯、氫氣，設(shè)計最高溫度443℃，設(shè)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(xiàn)過超溫現(xiàn)象，管壁溫度的現(xiàn)場紅外檢測結(jié)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(jié)果

2 現(xiàn)場檢測結(jié)果

爐管現(xiàn)場宏觀檢測發(fā)現(xiàn)表面存在一定銹蝕，見圖2。經(jīng)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)場金相檢測發(fā)現(xiàn)爐管直管母材、彎頭母材金相檢測位置均有珠光體球化現(xiàn)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(shù)導(dǎo)則》標(biāo)準(zhǔn)已達到4-5 級[1]，部分爐管打磨1.0mm 后仍有珠光體球化現(xiàn)象，球化等級為4級。由于球化會導(dǎo)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(xiàn)場金相檢測結(jié)果

3 強度校核及壽命評估

由以上現(xiàn)場檢測結(jié)果可知，爐管在運行過程中存在超溫歷史，并且發(fā)生了嚴(yán)重的球化現(xiàn)象。球化一般會導(dǎo)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(chǎn)生影響。本文就分別針對這兩種失效模式，并根據(jù)檢測結(jié)果及設(shè)計準(zhǔn)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(shè)計壓力2.47MPa，金屬最高壁溫按設(shè)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(dāng)前超溫情況下的應(yīng)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(shè)計使用的許用應(yīng)力以及蠕變——斷裂設(shè)計使用的拉森——米勒爾曲線僅適用于不存在材質(zhì)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(zhì)劣化現(xiàn)象，因此采用替代方法保守估計存在材質(zhì)劣化材料的許用應(yīng)力及拉森-米勒爾曲線。其中4-5級球化1Cr5Mo材料的許用應(yīng)力根據(jù)硬度檢測結(jié)果及GB/T 35018—2018《承壓設(shè)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(yīng)力分析

加熱爐管采用有限元軟件進行模擬應(yīng)力分析，為保證管系應(yīng)力分析準(zhǔn)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(jié)構(gòu)尺寸及材料參考設(shè)計資料，其中當(dāng)前管壁厚度采用實測值代替，未來管壁厚度采用預(yù)測值代替。

材料選用理想線彈性模型，材料性能數(shù)據(jù)選自SH 3037—2002[2]，使用高階管單元PIPE288及EBLOW290進行應(yīng)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(wǎng)格劃分，最終模型的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為701，單元數(shù)為350。根據(jù)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(jié)點施加全位移約束，對爐管頂部彎頭中心節(jié)點施加X向或Z向約束。按照設(shè)計工況，對爐管施加2.47MPa內(nèi)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(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 加熱爐管有限元網(wǎng)格劃分

2）應(yīng)力分析結(jié)果。

在當(dāng)前管壁厚度下的有限元應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示，輻射段爐管應(yīng)力強度26.7～32.40MPa，且受溫度影響不大，其中爐管最大應(yīng)力強度略高于理論計算值28.16MPa，如圖6所示，高應(yīng)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(xié)調(diào)導(dǎo)致的輻射段轉(zhuǎn)化爐管熱應(yīng)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(fā)生進一步減薄的情況，根據(jù)腐蝕速率估算未來管壁厚度，并根據(jù)以上方法計算相應(yīng)的應(yīng)力強度，分析結(jié)果如圖6所示。

圖5 爐管應(yīng)力強度云圖分析結(jié)果（當(dāng)前管壁厚度）

圖6 爐管應(yīng)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(shè)計校核及剩余壽命計算

爐管靜強度壽命評價主要根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3037-2002進行彈性設(shè)計校核[2]，分析爐管應(yīng)力是否滿足許用用力要求。依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，1Cr5Mo材料在443℃下的彈性許用應(yīng)力為105MPa，如果超溫到550℃則彈性許用應(yīng)力為85MPa。由于爐管受火受熱后已發(fā)生4-5級球化，可根據(jù)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(yīng)力：

式中：

[σ]afd——受火發(fā)生材質(zhì)劣化材料的許用應(yīng)力，MPa；

σht——由現(xiàn)場硬度測定值轉(zhuǎn)換得到的抗拉強度換算值，MPa；

[σ]a——現(xiàn)場硬度測量溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

nism——在用安全系數(shù)，可取原始設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強度對應(yīng)的安全系數(shù)，如果nism未知，也可取推薦值3.0；

nh——由硬度轉(zhuǎn)換得到的抗拉強度確定許用應(yīng)力時采用的安全系數(shù)，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(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》及GB/T 33362—2016標(biāo)準(zhǔn)《金屬材料 硬度值的換算》[4，5]，將硬度測量值轉(zhuǎn)換為抗拉強度值為350MPa，根據(jù)式（1）計算得到4-5級球化的1Cr5Mo材料在設(shè)計溫度443℃下的彈性許用應(yīng)力為78.53MPa，在超溫到550℃下的彈性許用應(yīng)力為63.57MPa。

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

3.3 蠕變——斷裂設(shè)計校核及剩余壽命計算

爐管蠕變壽命的評價主要根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3037-2002的蠕變——斷裂設(shè)計校核，按照該標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)劣化現(xiàn)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(shù)據(jù)如圖7（a）所示[6-9]，根據(jù)這些數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)中1Cr5Mo原始材料的下限斷裂強度。由圖7（b）可見，在高應(yīng)力下，原始材料的持久性能要優(yōu)于球化材料，但是在低應(yīng)力下兩者卻區(qū)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(shù)據(jù)

設(shè)定從爐管2012年為第一個操作周期，并且保守認(rèn)為球化從開始運行的很短時間內(nèi)就發(fā)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?jǐn)?shù)時，以1年為1個周期，在設(shè)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(jù)圖8中的計算結(jié)果，當(dāng)爐管累計損傷達到1.0時將發(fā)生失效破壞，因此在設(shè)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(dāng)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(jié)論

本文結(jié)合爐管現(xiàn)場檢測結(jié)果，建立了存在超溫及嚴(yán)重球化爐管的壽命評價方法，也為存在球化等材質(zhì)劣化問題的承壓類特種設(shè)備的壽命評價提供了方法支持。主要結(jié)論如下：

1）采用有限元方法分析了爐管的應(yīng)力情況，并根據(jù)受火材料硬度折算許用應(yīng)力的方法進行了球化爐管的彈性設(shè)計校核，在設(shè)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(jù)文獻統(tǒng)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(shè)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(jié)果，當(dāng)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(wěn)，特別要嚴(yán)格控制操作溫度的波動，嚴(yán)禁超溫運行，工藝允許條件下建議取溫度低限值運行。