新舊hp—nb爐管焊接后的剩余壽命

1、工 業(yè) 爐 石 油 化 工 設 備 技 術 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) · 1 ·P e t r o— Ch e mi c a lEq u i p me n tTe c h n o l o g y新 舊 HP — N b爐 管焊接后 的剩余壽命 張 忠 政 ， 鞏 建 鳴 ， 奚 冬 興 ， 朱 瑞 松 ( 1 ． 南 京 工 業(yè) 大 學 機 械 與 動 力工 程 學 院 ， 南 京 2 1

2、0 0 0 9 ； 2 ．揚 子 石 油 化 工 股 份 有 限公 司 ， 南京 2 1 0 0 4 8 )摘 要 ： 制 氫 轉 化 爐 爐 管 局 部 發(fā) 生 失 效后 ， 采 用局 部 更換 爐 管 失 效段 的 方 法 可 以延 長整 根 爐 管 的使 用 壽 命。采用微觀組織分級 法、 硬度測量法 以及 L a r s o n - Mi l l e r 參 數(shù) 法對某廠 新 舊 HP — Nb爐 管焊接后 的 剩余 壽 命 進

3、 行 綜 合 評 價 ， 結 果 表 明 新 舊爐 管焊 接 后 的 剩 余 壽 命 約 為 4 5 0 0 0 h ， 蠕 變 斷裂 將 發(fā) 生在 舊 爐 管 的 母 材 上 。關鍵詞 ： 轉化爐 ； 爐管； 焊接 ； 剩余壽命 中圖 分 類 號 ： T E 9 6 3文獻 標 識 碼 ： B 文 章 編 號 ： 1 0 0 6 — 8 8 0 5 ( 2 0 0 5 ) 0 4 — 0 0 0 1 — 0 31引 言 某石 化公 司

4、 B A1 0 0 1制氫 轉化 爐 爐 管使 用 離 心鑄 造 合 金 HP — Nb ( 0 ． 4 5C， 2 59 ／ 6Cr ， 3 5 ％ Ni ，1Nb ) 。該 爐 1 9 9 0年投 入 運 行 ， 1 9 9 7年 年 初 發(fā) 生數(shù) 量較 多 的爐 管局 部斷 裂失 效 。根 據(jù)美 國石 油 學 會推薦 的常規(guī) 設計 方法 AP I 5 3 0 u ] ， 爐 管設 計 壽 命 通 常 取 1 0 0 0 0 0 h

5、 。經(jīng) 分 析 研 究 ， 確 定 采 用 切 除 斷 裂失效 的管段 、 接 上 一 段 新 管 段 后 繼 續(xù) 使 用 的 局 部修 復方 法 ， 及 時 恢 復 了正 常 生 產(chǎn) 。為 了保 證 修 復 后 的 爐 管 安 全 可 靠 地 運 行 ， 隨 機 選 取 一 根 HP — Nb新 舊焊接 管 ， 分 別 用微 觀 組 織 分 級 法 、 硬 度 測量法 及 L a r s o n — Mi l l e r 參 數(shù)法 ，

6、 對 焊 接后 的剩 余 壽命進 行 了綜 合評 價 。2 基 于微 觀組 織分 級 法的壽 命 評估 微 觀組 織分 級 法 是 依 據(jù) 材 料 長 期 在 高 溫 、 應 力 和環(huán) 境 共 同作 用 下 的 微 觀 組 織 變 化 及 物 理 損 傷 ， 綜合 評 定 壽命 損 耗 的方 法 。這 里 的微 觀 組 織 變 化包 括 蠕變孔 洞 以及 金相 組織 變化 。Ne u b a u e r 等 人 I 2在 對 蒸 汽 發(fā)

7、 生 器 進 行 壽 命 評 價 時 ， 提 出 了基于 蠕變 損傷 的分 級 法 ， 這種方 法 可 以根 據(jù) 蠕變操 作 發(fā) 生 的程 度 來 預 測 剩 余 壽命 ，但 是 它并 沒考 慮 金 相 組 織 的變 化 。I ．L eMa y [和 J ．M．Go n g 【 4等 人指 出高 溫 爐 管 的金 相 組 織 由溫度 的 高低決 定 ， 并 確 定 了根 據(jù) 爐 管各 個 部 分 的金相 組織 確定 該 部位 爐管 實

8、際溫度 的方 法 。本 文采用 基 于蠕 變損 傷 ， 同時 考 慮碳 化 物 析 出 的爐 管組織 損 傷評 級 法【 4 ] ， 對新 舊爐 管 焊 接 后 的高 溫 蠕變 壽命 進行 了預 測 。該方 法將 蠕變 損 傷和組 織 損 傷相結 合 ， 綜合 判 斷爐管 的損 傷級 別 ， 并 與壽命 關 聯(lián) ， 分 級 的指標 如下 ：I級 沒 有孔 洞 產(chǎn) 生 ； 一 次 碳 化物 沿 晶呈 條 狀 析 出 ， 二次 碳 化物 在

9、 晶 內(nèi)彌散 分布 ， 但是 晶界 附 近 呈現(xiàn) 聚集 狀 態(tài) ， 對 應 的 已 服 役 壽命 占 總 壽命 的 2 0。Ⅱ級 晶 界上 有 很 少 量 的孔 洞 散 亂 分 布 ； 一 次 碳化 物沿 晶界 呈鏈 狀 、 塊狀 分 布 ， 二次 碳化 物在 晶內(nèi) 發(fā)生 明顯 的合 并 ， 對 應 的 已服 役 壽命 占總壽 命 的 2 09 ／ 6 ～4 0。Ⅲ級 孔 洞 沿 晶界 成 串排 列 ， 有 少 量 的孔 洞 連 接形

10、成微 裂 紋 ； 一 次 碳化 物沿 晶呈 塊狀 ， 合并后 的二 次碳化 物 在 晶 內(nèi) 逐漸 消 失 ， 已 服 役 壽命 占總 壽命 的 4 0～6 0。Ⅳ級 部 分 孔洞 沿 晶界 連 接 形 成微 裂紋 ， 有 的微 裂紋 和 內(nèi)壁 滲 碳 引起 的 開 裂 連接 ， 形 成 小 的 宏 觀 裂紋 ， 當裂紋 長度 擴 展達 到壁 厚 的 1 ／ 3 ～ 1 ／ 2時 ， 已服役 壽命 占總壽 命 的 6 O～7 5。V級 微

11、 裂 紋之 間相 互連 接所 形 成 的宏 觀裂 紋從 內(nèi)壁 向外 壁擴 展 ， 其 長度 達到 壁厚 的 2 ／ 3時 ，爐管 服役 壽命 終 了 。新 舊爐 管 焊 接 的 位 置 位 于 整 根 爐 管 的下 部 ( 距 離上 法蘭 l 1 ． 1 m) ， 分 別 從 新 管 和 舊管 上 切 取 金相 分析 試樣 ， 取 樣點 A， B， C， D如 圖 1 所 示 。圖 2為新 管 管壁 中部 的微 觀 組織 。新 材料 服

12、 役一 段 時間后 基 本組織 狀 態(tài) 為奧 氏體 加骨 架狀 共 收稿 日期 ： 2 0 0 5 — 0 3 — 1 8 。收稿 日期： 張忠政 ( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 遼 寧人 。南 京工業(yè)大學 碩士 研究生， 研 究方 向為化工裝備安全技 術及工程 。維普資訊 http://www.cqvip.com 第 2 6 卷第 4期 張忠政等．新 舊 H P — Nb爐管焊接后 的剩余 壽命 ’3 ‘2 ． O 1 MP

13、 a ， 考 慮爐 管 下 部 內(nèi)外 壁 溫 差 為 1 O ℃， 可 求得 下部 爐 管 在 內(nèi)壓 和溫 差 作 用 下 環(huán) 向應 力 為 2 4 ． 1 9 MP a 。一般情 況 下 ， 爐管 壁厚 方 向的蠕 變損 傷 是不均 勻 的 ， 損 傷程 度從 內(nèi)壁 到外壁 逐漸 減小 ，為 了剩余 壽命 預 測 具 有 代 表 性 ， 預 測 時 推 薦 采 用 內(nèi)壁 、 中間 、 外壁 硬度 的平 均值 進行 計算 。取 舊材 料

14、側 的平 均 微 觀 硬 度 H 為 1 9 O ． 7 5 ，將 含碳量 、 最 大應 力值 以及硬度 值 代入 上 式 中 ， 可 得 到基 于硬 度測 量 的剩 余 壽命 是 4 2 0 0 0 h ， 而 且 預 計 高溫 蠕變 斷裂 將 發(fā)生 在 舊材料 側 。4 基 于 L a r s o n — Mi l l e r 參 數(shù) 法的 壽命 評估 L a r s o n - Mi l l e r 參 數(shù) 法 是 壽 命 評 價

15、 中最 常 用 的方法 之一 ， 它 通過 在應 力 、 溫度 和蠕 變 斷裂 壽命 之 間建 立定 量 的關 系 ， 來 對 壽 命 進 行 預 測 。一 般 是 在較 高溫 度或 者 應 力 水 平 下 進 行 加 速 實 驗 ， 對 試 驗數(shù) 據(jù)進 行 壽命外 推 得到 較低 溫度 或較 低 應力 水 平 下 的壽 命 。L a r s o n — Mi l l e r參 數(shù) P 與 溫 度 以 及 壽命 之 間有 如下關 系 ：

16、P = T( C + l g t)× 1 0 。式 中 ： P —— L a r s o n — Mi l l e r 參 數(shù) ；C —— 材 料 常數(shù) ， 為 了 與 HP — Nb新 材 料 的 標 準 持久 曲線 比較 ， C取 2 0 ；丁 —— 材 料溫 度 ， K；￡ ， —— 壽命 ， h 。對 于 奧 氏 體 不 銹 鋼 以 及 高 溫 合 金 鋼 ，Vi s w a n a t h a n等人 通過 研究 指

17、 出無 論 是 改 變應 力 還是 改變 溫度進 行 加速 持 久 試 驗 ， 均可 獲得 合 理 的壽命 預測 _ 7 ] 。 因此 ， 本 研 究 從 新 舊焊 接 爐 管 中 制 取 高溫持 久 試 驗 的試 樣 ， 在 8 5 0 ℃ 下 進 行 變 應 力 的加速 持久試 驗 ， 所得 到 L a r s o n — Mi l l e r 持 久 曲 線 如 圖 4 所 示 ， 所有 斷 裂發(fā)生 在 舊材 料側 。P = T

18、( 2 0 + l g t ) × 1 0 -圖 4 新 舊 焊 接 爐 管 的 P 曲 線 對 于 所 采 用 的 新 舊 焊 接 爐 管 ， 在 8 0 0 ℃ 和 2 4 ． 1 9 MP a條 件 下 ， 得 到其 P 為 2 6 ． 4 6 。經(jīng) 過 計 算 ， 其 剩余 壽命 為 4 5 7 0 0 h 。5結 論 本 研究 運 用微 觀 組 織 分 析 法 、 硬 度 測 量 預 測 法 和 L a r s o

19、n — Mi l l e r 參 數(shù) 法 對 某 廠 制 氫轉 化 爐 新 舊焊接 爐 管 在 高 溫 下 的 剩 余 壽 命 進 行 了 綜 合 評 估 ， 研 究 表明 ：( 1 )用不 同的方法 進 行新 舊焊接 爐 管 的 壽命 評 價 ， 均 表 明其剩 余 壽 命 在 4 5 0 0 0 h左 右 ， 這 表 明 新 舊焊接 爐 管從 進行 壽命 評估 時算 起還 可繼 續(xù) 服 役約 6年 ， 蠕 變斷 裂將 發(fā)生 在 舊材

20、料 側 。( 2 )壽命 評估 結果 的一致 性 為 制氫 轉 化 爐爐 管 的使用 管理 提 供 了科 學 的依 據(jù) ， 掌 握 了 爐 管 的 使用 壽命 ， 可 以充 分 發(fā) 揮 昂貴 的 高 合 金 爐 管 的使 用潛 力 ， 避免 非計 劃開 停車 。( 3 )以上分析還 表明 ， 由于爐 管損 傷劣 化具 有 局部性 ， 從 節(jié)約 成本 出發(fā) ， 修 復 爐管 時 可 以優(yōu) 先 考 慮局部 更換 失效 管段 以節(jié)省 爐管材料

21、 和檢修時 間 ?！?致1 澍】 參 加 本 研究的 ， 還有南京工 業(yè)大學姜 勇、 涂善 東同志 ， 揚子石化 分公 司夏翔 鳴 同志 ， 在 此 一 并致 謝 。參考文 獻 ：1Ame r i c a nP e t r o l e u m I n s t i t u t e ．Ca l c u l a t i o no fh e a t e r - t u b et h i c k n e s si np e t r o l e

22、u m r e f i n e r i e s ： AP Ir e c o mme n d e dp r a c —t i c e5 3 0， 3 r de d ． W a s h i n g t o n ，DC ， 1 9 9 82D．B．Ne u b a u e r ． C r e e pd a ma g ee v a l u a t i o ni np o we r p l a n t ．P r o c e e d i n g

23、 o ft h eS e c o n dI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c e o nCr e e p a n dF r a c t u r eo fE n g i n e e r i nS t r u c t u r e s ( P a r t 2) ．S wa n s e aUK ：P i n e r i d g eP r e s s ， 1 9 8 4 ． 2 1 5 ～ 2 1

24、73I ．LeMa y ，T． C ．d aS i l v e i r aCH Vi a n n a ． Cr i t e r i af o rt h ee v a l u a t i o no fd a m a g ea n d r e m a i n i n gl i f ei nr e f o r m e rf u r —n a c et u b e s ． I n t ． J ．Pr e s ． Ve s ． &

25、P i p i n g ，1 9 9 6 ， 6 6 ( 1 ～ 3 ) ：2 33 ～ 2 414J ． M ． G o n g ， S ． T． T u， K． B ． Yo o n ． Da ma g ea s s e s s me n ta n dm a i n t e n a n c es t r a t e g yo fh y d r o g e nr e f o r m e rf u r na c et u b e s ．

26、En g i n e e r in g F a i l u r eAn a l y s i s1 9 9 9 ， 6 ： 1 4 3 ～ 1 5 35 鞏建鳴 ， 涂善東． 制氫轉化爐 爐管長期服役后 損傷評價 [ J 3 ． 南京化工大學學報， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 1 ) ： 4 9 ～5 36 王 富 崗 ， 王 來 ． 見 ： 石 油 化 工 裝 置 失 效 分 析 論 文 選 集 [ c ] ． 大連 ： 大連理

27、工大學出版社 ， 1 9 9 17R． Vi s wa n a t h a n ，J ．F o u l d ． Ac c e l e r a t e ds t r e s sr u p t u r et e s —t i n g f o rc r e e pl i f ep r e d i c t i o n - i t sv a l u ea n dl i m i t a t i o n ．AS M ET r a n s ． J ．