CN109187543A - 一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法 - Google Patents

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谢国山
曹逻炜
杜晨阳
康昊源
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Abstract

本发明公开了一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，主要包括以下步骤：(1)金相组织图片提取、(2)碳化物宽度测量、(3)碳化物平均宽度统计、(4)脆化分级寿命评估；通过对碳化物宽度测量和计算，实现了对乙烯裂解炉管寿命的评估。

Description

一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法
技术领域
本发明涉及一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，具体涉及到一种基于现场金相检测以及碳化物宽度定量分析，对在役乙烯裂解炉炉管的脆化损伤状态及寿命进行分级评估的方法
背景技术
乙烯裂解炉是乙烯生产中的关键设备，而其核心构件是乙烯裂解炉炉管，裂解反应一般就发生在辐射段盘管之中，炉管壁温可高达950-1150℃。由于长期在高温和渗碳的介质中工作，运行条件苛刻，通常选择HP系列离心铸造合金作为炉管材料，例如25Cr35NiNb。这种炉管的设计寿命一般可达10万小时，但是实际运行寿命在3万小时到18万小时之间不等，取决于材料的质量及操作工况。有时炉管无法达到设计寿命即发生失效，造成非计划停车及严重损失，因此对在役炉管的寿命评估和失效预测对于裂解炉的正常运行具有重要意义。
乙烯裂解炉管的损伤机理主要为渗碳损伤和蠕变损伤，而蠕变和渗碳损伤会引起炉管材料脆化，材料微观组织中碳化物发生粗化，高温及常温断后延伸率、冲击功将显著降低，从而极易在开停车以及清焦过程中热冲击载荷作用下，发生炉管热冲击开裂事故。
目前，只有SHS03001-2004《管式裂解炉维护检修规程》中3.2.2条的规定，当由渗碳、蠕变等原因引起的裂纹深度超过壁厚1/2的，渗碳深度大于管壁厚的60％的，辐射段炉管蠕胀量超过外径的5％或周长增加3％以上的，应考虑对炉管实施更换。现有技术中给出的炉管寿命评价方法，主要采用参数外推方法对炉管蠕变损伤进行评价，没有考虑渗碳损伤对材质脆化的影响，与实际情况存在较大差异。因此，对于在役炉管综合脆化程度的检测和寿命评估目前还没有标准有效的方法。
现场金相检测是乙烯裂解炉炉管的重要检测方法之一，传统方法通常根据金相中碳化物形貌及蠕变孔洞或裂纹等材料微观组织特征，凭借检测人员经验来定性评估炉管损伤状态。现有技术中给出的乙烯裂解炉管金相评价方法(参见“乙烯裂解炉管沿高度方向的蠕变损伤和剩余寿命评估”，尤兆宏，《PTCA》，第46卷，2010年)，则主要通过分析蠕变空洞等特征进行评价，判断过程中需要人为主观对蠕变损伤情况进行区分，既无法实现对渗碳损伤的系统判定，也无法实现全定量评价，因此，在测量效率和准确度上均有待于进一步提高。
针对以上问题，本发明开发了一种基于现场金相检测以及碳化物宽度定量分析，对在役乙烯裂解炉炉管的脆化损伤状态及寿命进行分级评估的方法，从而用以更加准确、便捷的评估乙烯裂解炉管的损伤状态。
发明内容
为更加准确的评估乙烯裂解炉管的损伤状态及寿命，本发明开发了一种基于现场金相检测以及碳化物宽度定量分析，对在役乙烯裂解炉炉管的脆化损伤状态及寿命进行分级评估的方法。
一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，包括以下步骤：(1)金相组织图片提取、(2)碳化物宽度测量、(3)碳化物平均宽度统计(4)脆化分级寿命评估。具体操作如下：
(1)金相组织图片提取
首先对停工状态的位置X处乙烯裂解炉炉管外表面进行现场覆膜金相检测，得到位置X处乙烯裂解炉炉管的n组金相组织图片信息P(1)…P(n)。
(2)碳化物宽度测量
对接收到的金相组织图片信息P(1)…P(n)进行计算机图像分析处理，得到n组金相组织图片信息P(1)…P(n)中所有m个条块形晶间碳化物的碳化物宽度数据δ(1)…δ(m)。若m<50，则返回金相组织图片提取步骤进行n+1组金相检测，直到m>50。
(3)碳化物平均宽度统计
对接收到的碳化物宽度数据δ(1)…δ(m)进行统计分析计算，得到位置X处平均碳化物宽度数据
(4)脆化分级寿命评估
根据接收到的平均碳化物宽度数据进行损伤状态及寿命分级评估，最终输出位置X处炉管的脆化损伤级别D及剩余寿命范围。
本发明基于碳化物宽度定量分析的在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估系统优点在于：
(A)本发明采用现场金相检测以及碳化物宽度定量分析方法，充分考虑到乙烯裂解炉管渗碳损伤及蠕变损伤导致的微观组织变化及其与性能的定量关系，得到了在役乙烯裂解炉管脆化程度的有效表征、检测及定量评估方法。
(B)传统金相检测仅能提供材料损伤的定性信息，无法进行定量评价；其他无损检测方法如蠕胀检测、渗透检测、射线检测等也无法得到材料渗碳、蠕变脆化的综合损伤状态信息。因此，本发明提供了其他无损检测方法无法提供的材料脆化损伤状态数据。
(C)本发明采用的现场金相检测方法技术难度低，已广泛应用于炉管等设备的现场检测，且便于现场实施。
(D)碳化物宽度是材料渗碳和蠕变损伤导致的碳化物粗化程度的直接表征，本发明使用碳化物宽度表征乙烯裂解炉管寿命，实现了全计算机采集、分析，无需人工干预判断，使得寿命评价更为客观准确便捷。
(E)使用本发明可以对在役乙烯裂解炉炉管进行脆化程度分级评估，根据脆化分级结果可以得到剩余寿命范围，从而对炉管进行安全管理，并对可能出现的危险情况及时预警，因此可以大大减少人员财产的损失，保证安全以及经济效益。
附图说明
图1：本发明涉及的典型金相组织图片
图2：本发明判定的不同损伤级别的炉管服役温度下的断后延伸率以及开裂、蠕胀现象
图3：本发明一实施例金相组织图片
图4：本发明一实施例炉管开裂图片
具体实施方式
下面结合说明书和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并非限制本发明，本发明也并非仅局限于下属实施例的内容，下述所使用的试验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有的常规方法。
本发明具体评估方法如下：
步骤1金相组织图片提取
首先对停工状态的所评价位置X处乙烯裂解炉炉管外表面进行现场覆膜金相检测，得到所评价乙烯裂解炉炉管位置X处的n组金相组织图片信息P(1)…P(n)。典型金相组织图片信息如图1所示。
步骤2碳化物宽度测量
对步骤1中的金相组织图片信息P(1)…P(n)进行计算机图像分析处理，得到n组金相组织图片信息P(1)…P(n)中所有m个条块形晶间碳化物的碳化物宽度数据δ(1)…δ(m)。若m<50，则返回步骤1进行n+1组金相检测，直到m>50。
步骤3碳化物平均宽度统计
对步骤2中的碳化物宽度数据δ(1)…δ(m)进行统计分析计算，得到位置X处平均碳化物宽度数据其中：
步骤4脆化分级寿命评估
对步骤3中平均碳化物宽度数据进行损伤状态及寿命进行分级评估，最终输出位置X处炉管的脆化损伤级别D及剩余寿命范围N，其中脆化损伤级别D及剩余寿命范围N的设定见表1：
表1
表1中不同平均碳化物宽度的脆化损伤级别及其对应的剩余寿命范围关系根据试验测试及现场实际情况确定，如图2所示，损伤级别为A的炉管服役温度下的断后延伸率满足标准要求，且现场未发现开裂或蠕胀现象，可继续使用1-2个检修周期(每个检修周期4年)以上，按一般设计寿命10年，寿命范围为70％-100％；损伤级别为B的炉管服役温度下的断后延伸率不满足标准要求，降低幅度较小，现场发现部分开裂现象但未出现明显蠕胀现象，可继续使用0-1个周期(每个检修周期4年)以上，按一般设计寿命10年，寿命范围为30％-70％；损伤级别为C的炉管服役温度下的断后延伸率不满足标准要求，降低幅度较大，现场不但发现开裂现象且出现较严重蠕胀现象，无法使用1个周期(每个检修周期4年)以上，按一般设计寿命10年，寿命范围为0％-30％；。
具体实施例：
所评估的乙烯裂解炉炉管为已服役6年炉管。乙烯裂解炉炉管为离心铸造奥氏体不锈钢25Cr35NiNb，外径65mm，壁厚7mm。炉管设计压力0.3MPa，设计温度1100℃。
首先对所评价乙烯裂解炉炉管进行停机检测，并选择蠕胀明显位置炉管外表面进行打磨、电解抛光腐蚀，并进行覆膜金相检测。
检测共获得该位置5组放大500倍的典型金相组织图片信息P(1)…P(5)，典型金相组织图片信息P(i)如图3所示。
对P(1)…P(5)进行计算机图像分析处理，得到5组金相组织图片信息中共有84个条块形晶间碳化物的碳化物宽度数据δ(1)…δ(84)，满足m＝84>50。
碳化物宽度数据δ(1)…δ(84)见表2(单位μm)所示。
表2
对接收到的碳化物宽度数据δ(1)…δ(84)进行统计分析计算，得到该位置平均碳化物宽度数据
根据平均碳化物宽度数据进行该炉管损伤状态及寿命分级评估，由于依据表1，最终输出该位置处炉管的脆化损伤级别D为C级，剩余寿命范围N为占总设计寿命百分比0-30％。按设计寿命10年，则剩余寿命为0-3年。
实际该炉管在继续使用过程中不到1年便发生开裂事故，如图4所示，说明了本发明的正确性和可靠性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，包括以下步骤：(1)金相组织图片提取、(2)碳化物宽度测量、(3)碳化物平均宽度统计和(4)脆化分级寿命评估。
2.如权利要求1所述的一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，其特征在于，所述金相组织图片提取包括了以下步骤，对停工状态的位置X处乙烯裂解炉炉管外表面进行现场覆膜金相检测，得到位置X处乙烯裂解炉炉管的n组金相组织图片信息P(1)…P(n)。
3.如权利要求2所述的一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，其特征在于，所述碳化物宽度测量包括了以下步骤，对接收到的金相组织图片信息P(1)…P(n)进行计算机图像分析处理，得到n组金相组织图片信息P(1)…P(n)中所有m个条块形晶间碳化物的碳化物宽度数据δ(1)…δ(m)；若m<50，则返回金相组织图片提取步骤进行n+1组金相检测，直到m>50。
4.如权利要求3所述的一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，其特征在于，所述碳化物平均宽度统计包括了以下步骤，对接收到的碳化物宽度数据δ(1)…δ(m)进行统计分析计算，得到位置X处平均碳化物宽度数据
5.如权利要求4所述的一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，其特征在于，所述脆化分级寿命评估包括了以下步骤，据接收到的平均碳化物宽度数据进行损伤状态及寿命分级评估，最终输出位置X处炉管的脆化损伤级别D及剩余寿命范围N。
6.如权利要求5所述的一种在役乙烯裂解炉管脆化分级寿命评估方法，其特征在于，所述平均碳化物宽度数据与脆化损伤级别D以及剩余寿命范围N的关系为：时，脆化损伤级别为A级，剩余寿命占总设计寿命的70％-100％；时，脆化损伤级别为B级，剩余寿命占总设计寿命的30％-70％；脆化损伤级别为C级，剩余寿命占总设计寿命的0％-30％。
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