張 塞

(中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司,北京 102500)

1 延遲焦化加熱爐管的損傷

加熱爐是延遲焦化裝置的核心設(shè)備,其中輻射室爐管的結(jié)焦速率的大小決定了裝置的開(kāi)工周期。加熱爐爐管直接受火焰加熱,且承受一定壓力,容易出現(xiàn)高溫蠕變、開(kāi)裂、滲碳、沖蝕、石墨化、球化和氧化等損傷[1-3],見(jiàn)圖1。其損傷機(jī)理與高溫承壓特種設(shè)備相似,爐管材質(zhì)劣化后能否繼續(xù)安全使用是企業(yè)極為關(guān)心的問(wèn)題。2022年10月3日因當(dāng)班人員誤操作關(guān)閉焦炭塔進(jìn)料隔斷閥,導(dǎo)致加熱爐憋壓,裝置調(diào)整操作后仍有6處爐管壁溫超過(guò)650 ℃,裝置持續(xù)運(yùn)行至當(dāng)年11月3日后對(duì)爐管進(jìn)行機(jī)械清焦處理,同時(shí)對(duì)爐管進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。

圖1 焦化爐管損傷

2 加熱爐簡(jiǎn)介

2.1 加熱爐概述及工藝流程

加熱爐F2101是為焦炭塔內(nèi)的反應(yīng)提供熱量,加熱爐包括輻射室、對(duì)流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒器、通風(fēng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。原料進(jìn)入分餾塔底,由分餾塔底的加熱爐進(jìn)料泵送入加熱爐,原料先經(jīng)過(guò)對(duì)流室后再進(jìn)入輻射室,直至被加熱至工藝所需溫度。加熱爐采用雙輻射室、雙對(duì)流室和四管程水平管雙面輻射箱式爐爐型,每個(gè)輻射室由中間火墻分為兩個(gè)爐膛。輻射盤管采用單排水平管雙面輻射布置。每一程爐管設(shè)置三個(gè)注汽點(diǎn),分別位于對(duì)流室入口、轉(zhuǎn)油線和輻射室內(nèi)。加熱爐采用雙面輻射、多點(diǎn)注汽和冷油高流速等技術(shù),以延長(zhǎng)加熱爐開(kāi)工周期,同時(shí)采用空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣,提高加熱爐的熱效率,設(shè)置加熱爐余熱回收系統(tǒng)、加熱爐進(jìn)料量和爐膛溫度檢測(cè)與燃料氣聯(lián)鎖控制。延遲焦化加熱爐工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 延遲焦化加熱爐工藝流程簡(jiǎn)圖

圖3 焦化加熱爐爐管布置情況

2.2 爐管介紹

輻射室爐管材質(zhì)為ASTM A335 P9,由日本進(jìn)口(JFE Steel Corporation),設(shè)計(jì)運(yùn)行壽命為 100 000 h,化學(xué)成分見(jiàn)表1(余量為Fe)。2013年對(duì)裝置加熱爐進(jìn)行了改造,輻射室每路新增4根φ141 mm爐管單排布置在輻射室最上端。輻射室爐管分四路共128根爐管,由南向北分別是B,A,C,D路。每路共28根爐管,1—24根爐管規(guī)格為φ127 mm×10 mm,25—28根為φ141 mm×10 mm,底部爐管采用正三角形錯(cuò)排,雙排第1—12根爐管管間距為215 mm,第13—25根爐管管間距為215 mm,第26—28根爐管管間距為254 mm。φ127 mm×10 mm與φ141 mm×10 mm 爐管變徑時(shí)必須采用同心大小頭,以防止變徑處產(chǎn)生流動(dòng)死區(qū),導(dǎo)致局部結(jié)焦。

表1 P9鋼的成分 w,%

3 檢驗(yàn)結(jié)果

3.1 宏觀形貌

檢查加熱爐爐管外表面,未發(fā)現(xiàn)發(fā)生腐蝕減薄、宏觀裂紋和變形等,見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn):爐管外壁表面有一層氧化膜及垢層,氧化物由爐管外壁表面向外生長(zhǎng),氧化物化學(xué)成分分析基本上是鉻和鐵的氧化物,氧化層上有多個(gè)孔洞和多條裂紋。從出口法蘭處觀察結(jié)焦情況,爐管內(nèi)有大約1～2 mm的焦層,觸動(dòng)后會(huì)脫落。出口短節(jié)內(nèi)焦層較厚,比較堅(jiān)硬,厚度為10～20 mm,結(jié)焦層與爐管結(jié)合力較小。

圖4 爐管宏觀形貌

3.2 壁厚測(cè)定和蠕脹檢測(cè)

對(duì)輻射室爐管進(jìn)行壁厚測(cè)定,其中A路測(cè)厚74個(gè)點(diǎn),實(shí)測(cè)最小值為8.4 mm;B路測(cè)厚51個(gè)點(diǎn),實(shí)測(cè)最小值為8.4 mm;C路測(cè)厚45個(gè)點(diǎn),實(shí)測(cè)最小值為8.8 mm;D路測(cè)厚48個(gè)點(diǎn),實(shí)測(cè)最小值為8.4 mm。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量爐管直徑,蠕脹檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋和鼓包變形,見(jiàn)圖5。

圖5 爐管測(cè)厚示意和蠕脹檢測(cè)

3.3 表面缺陷和埋藏缺陷檢測(cè)

對(duì)輻射室爐管進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)和超聲檢測(cè)抽查,其中A路檢測(cè)焊口23道,B路檢測(cè)焊口21道,C路檢測(cè)焊口24道,D路檢測(cè)焊口19道。檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)相關(guān)磁痕和其他缺陷。

3.4 硬度檢測(cè)

以抽查方式對(duì)輻射室爐管多道焊縫、母材、熱影響區(qū)進(jìn)行硬度檢測(cè),其中A路檢測(cè)11處275個(gè)點(diǎn),B路檢測(cè)8處200個(gè)點(diǎn),C路檢測(cè)11處275個(gè)點(diǎn),D路檢測(cè)5處125個(gè)點(diǎn),其中D路上數(shù)第7根東側(cè)直管母材硬度值分別為109,134,134,108和145 HB,硬度偏低,硬度值平均為126 HB。

3.5 金相檢驗(yàn)

對(duì)輻射室爐管175處不同部位的母材、焊縫及熔合區(qū)取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析,結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 未球化爐管的金相組織

圖7 爐管損傷典型金相組織

根據(jù)DL/T 884—2004《火電廠金相檢驗(yàn)與評(píng)定技術(shù)導(dǎo)則》判定,其中A路3級(jí)球化52個(gè)點(diǎn),5級(jí)球化1個(gè)點(diǎn),蠕變2個(gè)點(diǎn);B路3級(jí)球化35個(gè)點(diǎn),4級(jí)球化3個(gè)點(diǎn),5級(jí)球化1個(gè)點(diǎn),蠕變1個(gè)點(diǎn);C路3級(jí)球化51個(gè)點(diǎn),4級(jí)球化1個(gè)點(diǎn),4.5級(jí)球化1個(gè)點(diǎn),5級(jí)球化1個(gè)點(diǎn),蠕變1個(gè)點(diǎn);D3級(jí)球化22個(gè)點(diǎn),4.5級(jí)球化3個(gè)點(diǎn)。爐管材質(zhì)為P9的新?tīng)t管的顯微組織由鐵素體和珠光體組成,晶界上有少量的塊狀碳化物。球化級(jí)別為5級(jí)的金相組織貝氏體(馬氏體)位向嚴(yán)重分散,晶界變粗出現(xiàn)雙晶現(xiàn)象,晶粒破碎出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象,出現(xiàn)鏈狀孔洞[4]。

4 機(jī)理分析

4.1 結(jié) 焦

原料以減壓渣油為主,原料渣油的性質(zhì)取決于其組成,原料含有飽和烴、芳烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)4種組分。在受熱條件下,飽和烴及輕質(zhì)芳烴較易發(fā)生裂解反應(yīng),重芳烴和膠質(zhì)較易發(fā)生縮合反應(yīng),而瀝青質(zhì)是最易縮合結(jié)焦的組分,各組分的反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖8。圖8中瀝青質(zhì)為正庚烷不溶物;BI為甲苯不溶物;QI為喹啉不溶物,是結(jié)焦先兆物。本次爐管內(nèi)部異常結(jié)焦過(guò)程是:閥門誤操作→爐管憋壓→加熱爐局部超溫→結(jié)焦→管壁溫度升高。爐管結(jié)焦是導(dǎo)致操作后期爐管管外壁溫度上升乃至損傷的根本原因。爐管的結(jié)焦與油品的性質(zhì)有密切的聯(lián)系。結(jié)焦的速度與油品的邊界層的溫度、壓力、平均流速和邊界層焦炭的生成量都有關(guān)系,流體的黏度越大,質(zhì)量流速越小,結(jié)焦前兆物向流動(dòng)主體的擴(kuò)散越困難,爐管越容易結(jié)焦[5-6]。

4.2 高溫氧化

爐管外壁因超溫而發(fā)生氧化,成為壁厚減薄的主要因素。由于這些氧化物與Cr9Mo鋼的熱膨脹系數(shù)相差很大,一旦出現(xiàn)溫度波動(dòng),爐管外表面金屬氧化物會(huì)剝落,使金屬裸露在高溫下繼續(xù)氧化腐蝕,最終導(dǎo)致?tīng)t管外壁減薄。管壁減薄后,溫度梯度值會(huì)進(jìn)一步加大,進(jìn)而導(dǎo)致?tīng)t管內(nèi)的熱渣油快速達(dá)到反應(yīng)溫度而在爐管內(nèi)結(jié)焦[7]。

4.3 珠光體球化

常見(jiàn)的P9鋼的組織一般為鐵素體和珠光體,當(dāng)其在440～760 ℃時(shí),其微觀組織內(nèi)部碳化物形態(tài)發(fā)生變化,顯微組織中細(xì)微分散的碳化物轉(zhuǎn)變成大的塊狀碳化物,即珠光體球化。珠光體的球化過(guò)程是碳化物的擴(kuò)散過(guò)程,而晶界上碳化物的擴(kuò)散速度較高,因此球化現(xiàn)象總是首先在晶界上發(fā)生。爐管球化會(huì)使其耐蠕變性能降低,鋼材的強(qiáng)度、硬度降低,嚴(yán)重球化時(shí)會(huì)降低20%～30%,最終降低爐管的使用壽命[8]。

溫度是影響球化的主要因素,在溫度較低的情況下,球化需要很多年才能發(fā)生,但溫度超過(guò)某一極限值時(shí),球化過(guò)程只需要很短的時(shí)間,由本次金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),爐管憋壓導(dǎo)致超溫運(yùn)行,加速爐管球化,部分爐管球化等級(jí)從2級(jí)變化到5級(jí)也證明了這一點(diǎn)。

5 壽命評(píng)估

5.1 應(yīng)力計(jì)算

由爐管設(shè)計(jì)資料可知,爐管的規(guī)格為φ127 mm×10 mm,爐管材質(zhì)為 P9(相當(dāng)于Cr9Mo),爐管的設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa,工作壓力1.45 MPa,設(shè)計(jì)溫度650 ℃,工作溫度495～505 ℃。爐管的外徑與內(nèi)徑比值為1.18,因此爐管屬于薄壁管。薄壁管在內(nèi)壓下所產(chǎn)生的膜應(yīng)力為[9]:

(1)

(2)

徑向應(yīng)力λ3=0

(3)

式中,P取設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa;D為爐管中徑,mm;t為爐管壁厚,mm。爐管的規(guī)格為φ127 mm×10 mm,最大膜應(yīng)力為9.36 MPa,爐管的規(guī)格為φ141 mm×10 mm,最大膜應(yīng)力為10.48 MPa。爐管的工作溫度取爐管的設(shè)計(jì)溫度650 ℃。由P9材料屈服強(qiáng)度可知,內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)在屈服強(qiáng)度之下[10-11]。

5.2 強(qiáng)度校核

由于輻射段爐管已存在3至5級(jí)球化的材質(zhì)劣化現(xiàn)象,因此采用替代方法保守估計(jì)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3至5級(jí)球化P9材料的許用應(yīng)力根據(jù)硬度檢測(cè)結(jié)果及GB/T 35013—2018《承壓設(shè)備合于使用評(píng)價(jià)》中的方法進(jìn)行折算[12-14]。

經(jīng)計(jì)算輻射段φ127 mm×10 mm直管段實(shí)測(cè)最小壁厚8.4 mm,腐蝕速率約為0.11 mm/a;φ141 mm×10 mm直管段實(shí)測(cè)最小壁厚8.5 mm,腐蝕速率約為0.17 mm/a;輻射段爐管設(shè)計(jì)溫度500 ℃。根據(jù)API 581,輻射段高溫氧化速率保守定為0.03 mm/a;輻射段φ127 mm×10 mm直管段實(shí)測(cè)最大直徑129 mm,蠕脹速率約為0.14 mm/a,φ141 mm×10 mm直管段實(shí)測(cè)最大直徑144.78 mm,蠕脹速率約為0.26 mm/a。由于爐管受火受熱后已發(fā)生3至5級(jí)球化,可根據(jù)GB/T 35013—2018按受火材料處理,由以下公式來(lái)確定受火材料的許用應(yīng)力:

(4)

式中,[σ]afd為爐管受火發(fā)生材質(zhì)劣化后材料的許用應(yīng)力,MPa;σht為由現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)定值轉(zhuǎn)換得到的抗拉強(qiáng)度換算值,MPa;[σ]a為現(xiàn)場(chǎng)硬度測(cè)量溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;nism為在用安全系數(shù),取3.0;nh為由硬度轉(zhuǎn)換得到的抗拉強(qiáng)度確定許用應(yīng)力時(shí)采用的安全系數(shù),取1.2。

根據(jù)公式計(jì)算得到3至5級(jí)球化的P9材料在設(shè)計(jì)溫度500 ℃下的彈性許用應(yīng)力為59.1 MPa,在超溫680 ℃下的彈性許用應(yīng)力為21.13 MPa。按以上計(jì)算的許用應(yīng)力及表2計(jì)算得到的環(huán)向應(yīng)力,可以推斷在設(shè)計(jì)溫度500 ℃以及超溫680 ℃下,爐管到2024年5月最大應(yīng)力強(qiáng)度均低于許用應(yīng)力,因此能夠通過(guò)基于彈性設(shè)計(jì)的剩余壽命校核。

表2 由腐蝕速率和蠕脹速率計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力

5.3 剩余壽命評(píng)估

按照SH/T 3037—2002《煉油廠加熱爐爐管壁厚計(jì)算》附錄A估算爐管蠕變-斷裂剩余壽命,其中3至5級(jí)球化P9材料的拉森-米勒爾曲線采用文獻(xiàn)值進(jìn)行替代,文獻(xiàn)中的球化P9材料的持久強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9。根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合的95%下限拉森-米勒爾曲線見(jiàn)圖10。擬合公式為:23.299 51-0.051 06σ+0.000 100 174σ2=T(C+lgt)×10-3,式中σ為球化P9材料應(yīng)力值,MPa;T為熱力學(xué)溫度,K;C為常數(shù),按標(biāo)準(zhǔn)推薦值取20.946;t為斷裂時(shí)間,h。

圖9 Larson-Miller參數(shù)數(shù)據(jù)

圖10 預(yù)測(cè)Larson-Miller擬合曲線

從爐管開(kāi)始服役的2007年為第一個(gè)操作周期,以1年為1個(gè)周期,預(yù)期的操作條件:工況1操作壓力1.45 MPa,操作溫度500 ℃;工況2操作壓力1.45 MPa,操作溫度680 ℃;工況3操作壓力1.45 MPa,操作溫度650 ℃。在設(shè)計(jì)工況溫度500 ℃條件下每個(gè)周期的剩余壽命分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3和表4。

表3 500 ℃球化P9材料的壽命分?jǐn)?shù)(規(guī)格:φ127 mm×10 mm)

表4 500 ℃球化P9材料的壽命分?jǐn)?shù)(規(guī)格:φ141 mm×10 mm)

在溫度680 ℃,操作壓力1.45 MPa下,φ127 mm×10 mm爐管斷裂時(shí)間為896.5 h,φ141 mm×10 mm爐管斷裂時(shí)間為752.1 h;在溫度650 ℃,操作壓力1.45 MPa下,φ127 mm×10 mm爐管斷裂時(shí)間為5 360.1 h,φ141 mm×10 mm爐管斷裂時(shí)間為4 475.9 h。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在設(shè)計(jì)溫度500 ℃,操作壓力1.45 MPa下,到2024年?duì)t管剩余壽命分?jǐn)?shù)大于0,能夠通過(guò)基于蠕變-斷裂設(shè)計(jì)的剩余壽命校核。在操作溫度680 ℃或650 ℃,操作壓力1.45 MPa下,爐管不能通過(guò)剩余壽命校核,應(yīng)避免超溫運(yùn)行。

6 防范措施

(1)完善裝置操作運(yùn)行策略。加強(qiáng)原料等參數(shù)監(jiān)控,應(yīng)做好原油的分儲(chǔ)分煉工作,不同原油加工比例應(yīng)在小范圍內(nèi)波動(dòng),對(duì)于容易結(jié)焦的原料,采取較大循環(huán)比,改善進(jìn)料性質(zhì),同時(shí)提高爐管流速。

(2)加強(qiáng)操作人員的技能培訓(xùn),提高操作水平,避免誤操作,減少由于操作不當(dāng)給爐管帶來(lái)的損傷。

(3)建立爐管運(yùn)行監(jiān)控機(jī)制。定期對(duì)爐管進(jìn)行紅外熱成像監(jiān)控,根據(jù)爐管壁溫變化趨勢(shì),采取工藝調(diào)整措施,減緩爐管壁溫持續(xù)上升趨勢(shì),同時(shí)提前做好爐管機(jī)械清焦的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,必要時(shí)對(duì)爐管取樣進(jìn)行蠕變-斷裂試驗(yàn),確定輻射段爐管長(zhǎng)時(shí)間使用后的蠕變極限。

(4)爐管更新,爐管外表面熱浸鍍鋁,鐵鋁合金層可有效改善爐管外表面的抗氧化性能,持續(xù)優(yōu)化焦化加熱爐壽命管理,制定長(zhǎng)周期管控措施。