CN112710268A - 一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，根据实验数据拟合渗碳时间‑炉管内表面碳含量关系曲线，设置渗碳时间制作不同内表面碳含量的炉管样品，测量各样品截面碳含量得到炉管样品截面碳含量曲线。测量不同内表面碳含量炉管的外表面残余应力，分别测量炉管截面上不同碳含量的点与炉管内壁的距离得到残余应力‑碳含量‑渗碳区厚度曲线。测量实际服役炉管外表面残余应力，设定渗碳区厚度测量起始点的碳含量，根据残余应力‑碳含量‑渗碳区厚度曲线确定自定义渗碳区厚度。本发明不破坏待评炉管的完整性，可自行设定测量起始点碳含量，通过曲线确定炉管渗碳区厚度，避免现有测量方法影响因素多、测量结果准确性差、渗碳层界定不明确、现场实施效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于无损评价技术领域，涉及到乙烯裂解炉管渗碳程度的评价，特 别涉及到渗碳区厚度的无损确定方法。
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，炉管内部原料为高碳势的碳氢气体和 水蒸汽等混合气，炉管外壁受到高温火焰辐射，乙烯裂解炉管处于其内壁发生 氧化渗碳、外壁高温氧化的服役环境中，加之炉管又受到管内内压、管身自重、 内外壁温差以及频繁开/停车引起的复杂内应力，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。裂解炉管的渗碳是从内壁开始的，随着服役时间的 增加，渗碳区域逐渐向外壁扩展，如图1所示。渗碳造成炉管失效的主要原因有：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，导致炉管组织发生劣化，图2所示为裂解炉管未渗 碳区域的微观组织照片，图3所示为裂解炉管渗碳区域的微观组织照片，可以 看出，未渗碳区域晶界和晶内仅有少量碳化物，并且呈弥散细小的形态分布， 而渗碳区域不仅碳化物数量增加，形态也由细小的粒状转变为在晶内粗大的块 状和在晶界的链状。碳化物的聚集粗化会产生应力集中，使晶界碳化物附近出 现空洞和微裂纹，如图4所示，导致炉管失效；第二，炉管渗碳区的密度下降， 承载能力降低，并且由于渗碳区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，由于渗碳区和非渗碳区之间的 物理性能有较大差异，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。据相关资料的不完全统计，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，如何准确评价乙烯裂解炉管的渗碳程度，确定裂解炉管 渗碳区厚度，对于准确预测裂解炉管的剩余寿命，保障炉管的安全服役是人们极为关注的问题。
服役一段时间后的乙烯裂解炉管会产生渗碳，由内壁到外壁的截面碳含量 分布是逐渐变化的，并没有渗碳层和非渗碳层的明显界面，因此，目前并没有 明确、统一的渗碳区厚度的严格定义，通常是根据力学性能的差异或者碳含量 达到或超过一定程度来确定所谓的渗碳区厚度，基于此，最准确的确定渗碳区 厚度的方法是对服役炉管解剖进行截面碳含量测试和力学性能测试，确定炉管 截面碳含量分布和不同部位力学性能的差异，但这种方法周期长、费用高，而 且由于炉管服役过程中的渗碳是非线性和非稳态的过程，因此，需要持续性的 对服役炉管的渗碳情况进行跟踪，而企业不可能持续提供正常服役的炉管供人 们进行解剖研究，因此，这种方法在实际中是无法实现的。目前，人们也开发 了一些渗碳区厚度的无损检测方法，比如利用磁性的变化和矫顽力的变化评价 炉管的渗碳情况，但这些方法存在影响因素多、测量结果准确性差、渗碳层界 定不明确、现场实施效率低的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于工程现场快速实施的无 损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，预先在实验室模拟实际工况， 测量不同渗碳程度炉管的残余应力，作出残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线，利 用便携式残余应力测试仪，在裂解炉停车期间测量不同管段的残余应力，通过 残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线确定渗碳区厚度。该方法可以自定义渗碳区域 的起始碳含量，具有非破坏性、方便快捷、可实施性好、结果准确的特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
乙烯生产流程可以简述为：在对流段炉管内通入乙烯裂解原料以及一定比 例的水蒸气进行预热，然后进入到裂解管辐射段内进行裂解反应，生成的裂解 气从裂解炉中出来进行急速冷却，得到主要产品乙烯。在正常的生产工艺下， 乙烯裂解炉管承受的应力主要有安装应力、管内介质产生的工作应力、内外壁 温度不同产生的温差应力、清焦过程升/降温产生的热应力等，这些应力在正常 停炉的情况下可以认为得到完全松弛或保持在固定水平，存留的残余应力变化 主要是乙烯裂解炉管渗碳过程中由于渗碳区和非渗碳区密度和热膨胀系数不同 产生的附加应力造成的，因此，可以通过测量裂解炉停炉后炉管的残余应力评 价裂解炉管的渗碳程度，进而在给出残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线的基础上，确定渗碳区的厚度。
一种基于残余应力测量无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法， 具体包括以下步骤：
1)渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线的制作
渗碳过程中，炉管内表面的碳含量最高。为了准确控制实验室渗碳过程炉 管内表面的碳含量，首先要确定实验室条件下渗碳时间-炉管内表面碳含量关系 曲线，其步骤为：
第1步：选择与实际服役炉管相同材质和尺寸的若干段未渗碳的裂解炉管， 将强渗碳剂封装于炉管内，炉管放入加热炉，调节加热炉温度与炉管实际服役 温度相同进行实验室渗碳实验。
第2步：对上述各段炉管进行不同时间的渗碳处理，得到内表面碳含量不 同的渗碳炉管样品。
第3步：将第2步得到的各段炉管内表面清理干净，各切削0.2mm的内表 面层制成粉末，使用红外碳硫分析仪对粉末样品进行测试分析确定各段炉管内 表面碳含量。
第4步：对上述各段炉管的渗碳时间-炉管内表面碳含量数据进行拟合，得 到渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线。
2)残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线制作
第1步：采用与实际服役炉管相同材质和尺寸的若干段未渗碳的裂解炉管， 将强渗碳剂封装于炉管内，炉管放入加热炉，调节加热炉温度与炉管实际服役 温度相同进行实验室渗碳。根据1)第4步拟合的渗碳时间-炉管内表面碳含量 关系曲线，设置渗碳时间，得到内表面碳含量不同的渗碳炉管样品。
第2步：从第1步得到的不同内表面碳含量的渗碳炉管样品上分别切割5mm 厚度的环，用电子探针测量渗碳炉管内壁到外壁截面的碳含量，得到各段渗碳 炉管样品从内壁到外壁截面碳含量曲线。
第3步：利用便携式残余应力测试仪在所有炉管外表面测量各段炉管的残 余应力。
第4步：根据第2步得到的碳含量曲线，设定测量起始点的碳含量，分别 测量各段炉管截面上测量起始点与炉管内壁的距离，即得到渗碳区厚度。
第5步：根据上述第1～4步得到的残余应力、测量起始点的碳含量和渗碳 区厚度数据，以渗碳区厚度为横坐标，测量起始点碳含量为纵坐标，制作残余 应力-碳含量-渗碳区厚度曲线。
3)实际服役炉管自定义渗碳区厚度的确定
对于实际服役的炉管，利用便携式残余应力测试仪在炉管外表面测量其残 余应力，设定渗碳区厚度测量起始点的碳含量，根据2)第5步得到的残余应力 -碳含量-渗碳区厚度曲线即可确定自定义渗碳区厚度。
本发明的效果和益处是在不破坏待评炉管完整性的情况下，能够对乙烯裂 解炉管渗碳情况进行综合评价，可在自行设定渗碳区厚度测量起始点碳含量的 情况下确定渗碳炉管的渗碳区厚度，避免了现有测量方法影响因素多、测量结 果准确性差、渗碳层界定不明确、现场实施效率低的问题。
附图说明
图1是乙烯裂解炉管渗碳情况示意图。
图2是乙烯裂解炉管未渗碳区域的金相组织照片。
图3是乙烯裂解炉管渗碳区域的金相组织照片。
图4(a)是乙烯裂解炉管渗碳后在晶界处产生空洞和裂纹金相照片；图4(b) 是图4(a)中标号1框图的局部放大图；图4(c)是图4(a)中标号2框图的局部放大 图；图4(d)是图4(a)中标号3框图的局部放大图。
图5是乙烯裂解炉管渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线。
图6是乙烯裂解炉管渗碳后截面碳含量曲线。
图7是乙烯裂解炉管残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线。
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。
一种基于残余应力测量无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法， 在实验室对未渗碳的乙烯裂解炉管进行不同时间的渗碳处理，得到不同内表面 碳含量的样品，基于残余应力测量，制作残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线，对 于实际服役的乙烯裂解炉管，在测量炉管残余应力的基础上，可以自行定义渗 碳区的起始碳含量，根据残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线，即可确定服役炉管 渗碳区厚度。
具体步骤如下：
1)渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线的制作
第1步：选择10段轧制的未渗碳乙烯裂解炉管，材料为低碳25Cr-35Ni奥 氏体耐热钢，原始碳含量为0.1wt.％，尺寸为Φ80mm×9mm，编号分别为1#～10#， 用丙酮清洗炉管内壁。选用固体渗碳剂，选取碳酸钡作为催渗剂，用箱式电炉 进行实验室渗碳处理，渗碳温度950℃。对各管段进行不同时间的渗碳处理，各 管段的渗碳时间见表1，得到不同内表面碳含量的渗碳炉管样品。
表1不同管段的实验室渗碳时间
第2步：将渗碳不同时间的各管段内表面清理干净，采用逐层剥离方法， 切削0.2mm的内表面层制成粉末，使用CS-8800型红外碳硫分析仪对粉末样品 进行测试分析确定渗碳炉管内表面碳含量，测试结果如表2所示。
表2不同渗碳时间各管段内表面碳含量
第3步：对表3中各管段的渗碳时间-炉管内表面碳含量数据进行拟合，得 到渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线，如图5所示，拟合曲线方程为：
式中：t-渗碳时间，h
ωc-炉管内表面碳含量，wt.％
2)残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线制作
第1步：选择与1)相同材质和尺寸的19段未渗碳的裂解炉管，在与1) 相同的渗碳条件下进行渗碳样品制作。
第2步：根据式(1)，设置渗碳时间，分别得到不同内表面碳含量的渗碳 炉管样品，如表3所示。
表3渗碳炉管样品制作
第3步：从第2步得到的不同内表面碳含量的渗碳炉管样品上分别切割5mm 厚度的环，用电子探针测量截面碳含量，得到不同内表面碳含量的渗碳炉管样 品从内壁到外壁截面碳含量曲线，如图6所示。
第4步：利用便携式残余应力测试仪在炉管外表面测量不同内表面碳含量 炉管的残余应力，将原始碳含量0.1wt.％管段的残余应力设定为零，其余管段测 量结果如表4所示。
表4不同内表面碳含量管段残余应力测量结果
第4步：分别测量各管段截面上不同碳含量的点与炉管内壁的距离，此即不同 碳含量测量起始点时的渗碳区厚度，测量结果见表5。
表5不同碳含量测量起始点的渗碳区厚度(1)
表5不同碳含量测量起始点的渗碳区厚度(2)
表5不同碳含量测量起始点的渗碳区厚度(3)
表5不同碳含量测量起始点的渗碳区厚度(4)
第5步：根据表5的数据，制作残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线，如图7 所示。
3)实际服役炉管自定义渗碳区厚度的确定
对于实际服役的炉管，利用便携式残余应力测试仪在炉管外表面测量其残 余应力，设定渗碳区厚度测量起始点的碳含量，根据2)第5步得到的残余应力 -碳含量-渗碳区厚度曲线即可确定自定义渗碳区厚度，比如，测量实际服役炉管 的残余应力为128.8×10- 3MPa，自定义渗碳区测量起始点的碳含量为0.1wt.％， 则渗碳区厚度为7.48mm，自定义渗碳区测量起始点的碳含量为0.2wt％，则渗碳 区厚度为6.49mm，自定义渗碳区测量起始点的碳含量为0.3wt.％，则渗碳区厚 度为5.62mm，依次类推。如果测量的实际服役炉管的残余应力在图7中没有实 际标注，则应找到相邻的两个数据点，根据图7中相邻数据点的坐标长度进行 换算，确定实际服役炉管的残余应力点，并根据相邻残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线，在两条线之间做与两条线走向一致的虚拟曲线，自定义渗碳区测量起 始点的碳含量，并根据上面的步骤确定渗碳区厚度。
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)
1.一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线的制作
渗碳过程中，炉管内表面的碳含量最高；为了准确控制实验室渗碳过程炉管内表面的碳含量，首先要确定实验室条件下渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线，其步骤为：
第1步：选择与实际服役炉管相同材质和尺寸的若干段未渗碳的裂解炉管，将强渗碳剂封装于炉管内，炉管放入加热炉，调节加热炉温度与炉管实际服役温度相同进行实验室渗碳实验；
第2步：对上述各段炉管进行不同时间的渗碳处理，得到内表面碳含量不同的渗碳炉管样品；
第3步：将第2步得到的各段炉管内表面清理干净，炉管内各切削一定厚度的内表面层制成粉末，使用红外碳硫分析仪对粉末样品进行测试分析确定各段炉管内表面碳含量；
第4步：对上述各段炉管的渗碳时间-炉管内表面碳含量数据进行拟合，得到渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线；
2)残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线制作
第1步：采用与实际服役炉管相同材质和尺寸的若干段未渗碳的裂解炉管，将强渗碳剂封装于炉管内，炉管放入加热炉，调节加热炉温度与炉管实际服役温度相同进行实验室渗碳；根据1)第4步拟合的渗碳时间-炉管内表面碳含量关系曲线，设置渗碳时间，得到内表面碳含量不同的渗碳炉管样品；
第2步：从第1步得到的不同内表面碳含量的渗碳炉管样品上分别切割一定厚度的环，用电子探针测量渗碳炉管内壁到外壁截面的碳含量，得到各段渗碳炉管样品从内壁到外壁截面碳含量曲线；
第3步：利用便携式残余应力测试仪在所有炉管外表面测量各段炉管的残余应力；
第4步：根据第2步得到的碳含量曲线，设定测量起始点的碳含量，分别测量各段炉管截面上测量起始点与炉管内壁的距离，即得到渗碳区厚度；
第5步：根据上述第1～4步得到的残余应力、测量起始点的碳含量和渗碳区厚度数据，得到残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线；
3)实际服役炉管自定义渗碳区厚度的确定
对于实际服役的炉管，利用便携式残余应力测试仪在炉管外表面测量其残余应力，设定渗碳区厚度测量起始点的碳含量，根据2)第5步得到的残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线即可确定自定义渗碳区厚度。
2.根据权利要求1所述的一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，其特征在于，所述的步骤1第3步中，切削内表面层的厚度为0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，其特征在于，所述的步骤2第2步中，渗碳炉管样品上切割的环的厚度为5mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN117128845A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-11-28 | 铸新科技(苏州)有限责任公司 | 渗碳炉管的渗碳层厚度定量评估方法及装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN117128845A (zh) * | 2023-10-27 | 2023-11-28 | 铸新科技(苏州)有限责任公司 | 渗碳炉管的渗碳层厚度定量评估方法及装置 |
| CN117128845B (zh) * | 2023-10-27 | 2023-12-29 | 铸新科技(苏州)有限责任公司 | 渗碳炉管的渗碳层厚度定量评估方法及装置 |
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