CN109856039A - 基于l-m参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于L‑M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，属于无损评价技术领域。本发明针对炉管的实际服役工况，采用金相解剖和数值模拟方法确定该炉管渗碳过程的演变规律，利用高温短时加速蠕变试验所得数据，构建Larson‑Miller曲线方程；根据拟合曲线方程和炉管承受的主应力，通过方程变换，得到炉管有效壁厚与剩余寿命的关系曲线；测量炉管的有效壁厚，利用已得到的关系曲线对乙烯裂解炉管剩余寿命进行评估。本发明在综合考虑炉管实际服役状况的基础上，采用实验的方法取得基础数据，进而得到炉管有效壁厚‑剩余寿命关系曲线，依据此曲线进行炉管剩余寿命的外推评估，具有较高的准确性。

Description

基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法

技术领域

本发明属于无损评价技术领域，涉及到内螺槽型乙烯裂解炉管渗碳程度的评价，特别涉及到渗碳炉管剩余寿命的评估方法。

背景技术

现在世界上的乙烯生产装置，几乎全部采用管式裂解炉。乙烯裂解炉管的服役环境极其恶劣，在工作运行过程中，炉管外壁受到高温火焰辐射，炉管内部原料为高碳势的碳氢气体和水蒸汽等混合气，乙烯裂解炉管处于其内壁发生氧化渗碳、外壁高温氧化的情况中，加之炉管又受到管内内压、管身自重、内外壁温差以及温差起伏变化引起的复杂内应力，处于这样的工作环境下，极易导致裂解炉管发生渗碳、热疲劳和蠕变等损伤，造成炉管失效，而其中渗碳是造成炉管失效的主要因素。其原因有：第一，渗碳使得组织中的碳化物类型和形态发生变化，由细小弥散的形态逐渐演变为粗大的网链状，碳化物的聚集粗化使晶界碳化物附近出现孔洞、微裂纹，导致炉管组织发生劣化，高温强度下降；第二，渗碳后炉管的密度下降，承载能力降低，并且由于渗碳层的热膨胀系数低于基体，导致炉管的受力状况恶化，加速了裂解炉管的损伤并导致炉管渗碳后热疲劳和热冲击抗力大大降低；第三，随着炉管渗碳程度的增加，炉管的塑性严重下降，开停炉以及清焦过程中的升温降温会引起炉管内外壁温度波动变化，由于渗碳层和非渗碳层之间的物理性能有着较大的差别，导致在沿着炉管管壁径向方向产生附加应力，加速了炉管的蠕变损伤。据不完全统计，由于渗碳导致的炉管失效占60％以上，其实际使用寿命往往不到设计寿命的70％，特别是，乙烯裂解炉管的渗碳是不可避免的，因此，如何根据炉管的渗碳情况评估炉管的剩余寿命，保障炉管的安全服役是人们极为关注的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，通过高温短时加速蠕变试验，得到Larson-Miller曲线方程，作出炉管有效壁厚与剩余寿命的关系曲线，实际应用时，可通过无损检测或其他手段得到乙烯裂解炉管的渗碳层厚度，推算炉管的有效壁厚，进而评估炉管的剩余寿命。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，针对炉管的实际服役工况，采用金相解剖和数值模拟方法确定该炉管渗碳过程的演变规律，利用高温短时加速蠕变试验所得数据，构建Larson-Miller曲线方程，通过方程变换，得到炉管有效壁厚与剩余寿命的关系曲线，再利用该曲线对乙烯裂解炉管剩余寿命进行评估。本发明包括以下步骤：

1)金相解剖观察

内螺槽型裂解炉管的截面形状如图1所示。裂解炉管的渗碳总是从管内壁开始的，并且内翅凸点部分的渗碳程度较严重。对服役炉管进行切割、磨削、抛光、腐蚀后，观察炉管截面的渗碳程度。

2)金相组织观察

渗碳后炉管的组织发生变化，渗碳程度不同，碳化物种类、数量和形态也不相同，在渗碳区、过渡区和非渗碳区各选取一点进行金相组织观察，对步骤1)的结果进行验证。

3)炉管截面碳含量测试分析

服役一段时间后的乙烯裂解炉管不可避免地产生渗碳，其渗碳程度与工况条件有关，即使同一根炉管，由于上部、中部和下部的服役温度不同，其渗碳程度也不相同。为了获得炉管截面碳含量的准确分布，选取一个渗碳程度较为均匀的管段，采用逐层剥离的方法进行切削，对粉末试样进行碳含量分析，得到炉管壁厚截面碳含量分布曲线，对步骤1)、步骤2)的结果进行验证，并准确界定渗碳区范围。

4)高温短时加速蠕变持久性能试验

为保证剩余寿命预测结果的可靠性，必须进行炉管材料高温蠕变持久性能试验，即温度-应力-持久时间的相互关系曲线。高温材料工程设计寿命一般为10万小时或更高，要获得这样长时间的蠕变持久试验数据是极为困难的，只能通过提高应力或温度的方法得到材料短期加速蠕变持久试验数据，然后采用外推法估算长时的持久试验数据。

5)Larson-Miller参考曲线选择及持久试验数据拟合

高温材料的蠕变速率v可用式(1)表示：

式中：A-与材料特性有关的常数；Q-蠕变激活能，J/mol；R-气体常数，J/K·mol；T-绝对温度，K；

通常认为断裂时间t_r反比于蠕变速率，则有：

对式(2)两端分别取对数，有：

由式(3)可知，在应力一定的条件下，持久断裂时间t_r的对数与绝对温度的倒数具有线性关系。

Larson-Miller理论认为，蠕变激活能是应力的函数，令C＝lgA，则有：

P＝T(C+lgt_r) (4)

式中：P-Larson-Miller参数，是与应力有关的函数；T-绝对温度，K；C-与材料有关的常数；t_r-断裂时间，h；

基于式(4)的运算被称为Larson-Miller参数外推法，简称L-M法，P称为L-M参数，依据式(4)可以作出服役炉管的Larson-Miller曲线。由于获得长时间蠕变持久试验数据极为困难，因此，需要根据服役炉管的材料特性和步骤1)、步骤2)、步骤3)的结果，选择已有的与实际服役炉管材料性能相近的Larson-Miller曲线作为参考，确定Larson-Miller曲线参数值，并根据参考曲线对步骤4)取得的持久试验数据进行拟合。

6)有效壁厚-剩余寿命曲线制作

Larson-Miller曲线拟合方程形式为：

y＝A₀+A₁x²+A₂x²+A₃x³+A₄x⁴ (5)

其中，y为炉管所受主应力值的对数，即y＝lgσ；x为Larson-Miller参数P；A₀、A₁、A₂、A₃、A₄分别为与应力和材料有关的常数。炉管所受主应力可以通过中径公式计算：

式中：σ-炉管所受主应力，MPa；P₀-炉管设计压力，MPa；Φ_中-炉管中径，其值为炉管外径减去有效壁厚，mm；w-有效壁厚，mm；

炉管的有效壁厚随着炉管服役时间的增加而减小，将导致炉管承受的应力增加，对应的Larson-Miller参数P值减小。

对式(6)进行变换：

则有：

式中：d-炉管外径，mm；

根据上面的分析，可以根据下列方程组制作有效壁厚和炉管剩余寿命之间的关系曲线(w-t_r曲线)。

7)剩余寿命评估

采用无损检测方法或金相解剖方法确定裂解炉管的渗碳层厚度，推算炉管的有效壁厚w值，在w-t_r曲线上找到相应的w值，即可评估炉管的剩余寿命。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本方法是在综合考虑炉管实际服役状况的基础上，采用实验的方法取得基础数据，进而得到炉管有效壁厚-剩余寿命关系曲线，依据此曲线进行炉管剩余寿命的外推评估，具有较高的准确性。

附图说明

图1是内螺槽型乙烯裂解炉管截面形状示意图。

图2是炉管截面渗碳情况示意图。

图3是不同区域炉管金相组织。

图4是炉管截面碳含量分布曲线。

图5是高温短时加速蠕变持久性能试验数据三维散图。

图6是Larson-Miller参考曲线和拟合曲线。

图7是炉管有效壁厚和剩余寿命关系曲线(w-t_r曲线)。

图8是炉管剩余寿命的确定。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，本发明通过对服役炉管进行金相解剖、研磨、抛光、浸蚀，观察炉管横截面渗碳程度；在金相显微镜下观察炉管渗碳区、过渡区和非渗碳区的显微组织；采用逐层剥离分析的方法测量炉管截面碳含量分布；根据炉管的化学成分和综合力学性能指标，选择KHR35H材料的Larson-Miller曲线作为参考曲线，制作服役炉管的蠕变试样进行高温短时加速蠕变持久性能试验，取得温度-应力-持久时间三者之间相互关系的数据，并根据Larson-Miller参考曲线对数据进行拟合，得到服役炉管的Larson-Miller曲线方程；利用中径公式计算炉管承受的主应力，得到有效壁厚与炉管设计压力、承受的主应力和炉管外径的关系式；结合Larson-Miller参考曲线的表达式、拟合曲线方程、有效壁厚表达式及炉管设计参数，作出炉管有效壁厚-剩余寿命关系曲线；利用金相解剖或无损检测方法测量在役炉管的渗碳层厚度，确定炉管的有效壁厚，在有效壁厚-剩余寿命关系曲线上找到相应的有效壁厚值，即可得到相应的剩余寿命值。

选择一段已经服役一定时间的裂解炉管，在金相解剖和组织观察的基础上，确定炉管渗碳程度，找出渗碳严重部位，制作高温短时加速蠕变试样，得到温度-应力-持久时间关系曲线，选择参考的Larson-Miller曲线，确定Larson-Miller参数值，根据拟合曲线方程和炉管承受的主应力，得到有效壁厚-剩余寿命关系曲线(w-t_r曲线)，测量炉管的有效壁厚，在曲线上根据有效壁厚w，评估炉管剩余寿命t_r。

具体步骤如下：

1)对内螺槽型乙烯裂解炉管进行解剖，经200#、600#、1000#砂纸研磨、抛光后，采用王水+三氯化铁溶液浸蚀，观察炉管截面渗碳情况，如图2所示；

2)乙烯裂解炉管的渗碳总是从内壁开始逐渐向外壁扩展，在炉管横截面上选择三个区域进行显微组织观察(草酸浸蚀)：渗碳区(内壁附近)、过渡区(中部)、非渗碳区(外壁附近)，其显微组织如图3所示。从图中可以看出，在炉管外壁区域，渗碳不严重，在晶界和晶内仅有少量碳化物，这是由于固溶在奥氏体中的碳时效析出形成的。越靠近内壁，由于渗碳情况越来越严重，其显微组织也有明显的变化。由于碳含量增加，不仅碳化物数量增加，形态也由细小的粒状变为粗大的块状和链状，这将导致炉管高温强度的严重下降。

3)为了获得炉管截面碳含量的准确分布，选取一个渗碳程度较为均匀的管段，采用逐层剥离的方法，对炉管进行从内到外车削，每次进给量为0.2mm，收集车削后的粉末，使用CS-8800型红外碳硫分析仪对粉末试样进行碳含量分析。由于炉管截面为内螺槽型，在内壁的凸点尖端进行车削时得到的粉末数量很少，测量结果不准确，故舍去凸点内壁0.2mm层的数据，得到的碳含量结果如图4所示。

从图4的曲线可以看出，炉管碳含量自内壁到外表面是逐渐减少的，内壁最大碳含量达到了1.83％，而外壁碳含量小于0.1％，这是由于发生了氧化腐蚀的缘故。

4)制作蠕变试样进行高温短时加速蠕变持久性能试验，取得温度-应力-持久时间三者之间相互关系的数据，如图5所示。

根据炉管的化学成分和综合力学性能指标，选择KHR35H材料的Larson-Miller曲线作为参考曲线，其表达式为：

P＝T(20+lgt_r)×10^-3 (9)

依据(9)式对4)的数据进行拟合。参考曲线的平均值和下限值及拟合曲线的平均值和下限值如图6所示。

5)采用拟合曲线的下限值，其拟合方程为：

y＝5.97399+0.22405x-0.00626x²+1.63442E^-16x³-1.30104E^-18x⁴ (10)

炉管的服役数据为：设计压力P₀＝0.34MPa，外径d＝56.6mm，服役温度T＝1366K，P＝T(20+lgt_r)×10^-3，将上述数据及式(10)代入式(8)，可作出炉管有效壁厚和剩余寿命的关系曲线，即w-t_r曲线，如图7所示。

6)用金相解剖观察或无损检测方法测量渗碳层的厚度，求得服役炉管的有效壁厚，在w-t_r曲线上找到相应的w值，即可评估炉管的剩余寿命t_r。例如，测量得到的渗碳层厚度为2.85mm，炉管壁厚为6.35mm，则有效壁厚为3.5mm，在w-t_r曲线上找到w＝3.5，可得剩余寿命t_r＝44000(h)，如图8所示。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，其特征在于，所述的寿命评估方法针对炉管的实际服役工况，采用金相解剖和数值模拟方法确定该炉管渗碳过程的演变规律，利用高温短时加速蠕变试验所得数据，构建Larson-Miller曲线方程，通过方程变换，得到炉管有效壁厚与剩余寿命的关系曲线，再利用该曲线对乙烯裂解炉管剩余寿命进行评估；具体包括以下步骤：

1)金相解剖观察

对服役炉管进行切割、磨削、抛光、腐蚀处理后，观察炉管截面的渗碳程度；

2)金相组织观察

在渗碳区、过渡区和非渗碳区各选取一点进行金相组织观察，对步骤1)的结果进行验证；

3)炉管截面碳含量测试分析

选取一个渗碳程度较为均匀的管段，采用逐层剥离的方法进行切削，对粉末试样进行碳含量分析，得到炉管壁厚截面碳含量分布曲线，对步骤1)、2)的结果进行验证，并准确界定渗碳区范围；

4)高温短时加速蠕变持久性能试验

为保证剩余寿命预测结果的可靠性，进行炉管材料高温蠕变持久性能试验，得到持久试验数据；

5)选择Larson-Miller参考曲线及拟合持久试验数据

P＝T(C+lgt_r) (4)

式中：P-Larson-Miller参数，是与应力有关的函数；T-绝对温度，K；C-与材料有关的常数；t_r-断裂时间，h；

根据公式(4)作出服役炉管的Larson-Miller曲线，并根据服役炉管的材料特性和步骤1)、步骤2)、步骤3)的结果，选择已有的与实际服役炉管材料性能相近的Larson-Miller曲线作为参考，确定Larson-Miller曲线参数值，并根据参考曲线对步骤4)取得的持久试验数据进行拟合；

6)得到有效壁厚-剩余寿命曲线

Larson-Miller曲线拟合方程形式为：

y＝A₀+A₁x²+A₂x²+A₃x³+A₄x⁴ (5)

其中，y为炉管所受主应力值的对数，即y＝lgσ；A₀、A₁、A₂、A₃、A₄分别为与应力和材料有关的常数；x为Larson-Miller参数P；

炉管的有效壁厚随着炉管服役时间的增加而减小，将导致炉管承受的应力增加，对应的Larson-Miller参数P值减小；根据下列方程组制作有效壁厚和炉管剩余寿命之间的关系曲线，即w-t_r曲线：

式中：w-有效壁厚，mm；P₀-炉管设计压力，MPa；d-炉管外径，mm；σ-炉管所受主应力，MPa；；

7)剩余寿命评估

采用无损检测方法或金相解剖方法确定裂解炉管的渗碳层厚度，推算炉管的有效壁厚w值，在w-t_r曲线上找到相应的w值，即可评估炉管的剩余寿命。

2.根据权利要求1所述的一种基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，其特征在于，所述的步骤4)中采用的方法为：通过提高应力或温度的方法得到材料短期加速蠕变持久试验数据，再采用外推法估算长时的持久试验数据。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于L-M参数法的内螺槽型乙烯裂解炉管剩余寿命评估方法，其特征在于，所述的步骤6)中炉管所受主应力通过中径公式计算：

式中：σ-炉管所受主应力，MPa；P₀-炉管设计压力，MPa；Φ_中-炉管中径，其值为炉管外径减去有效壁厚，mm；w-有效壁厚，mm。