乙烯裂解爐爐管早期損傷磁性無(wú)損評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

1、乙烯裂解爐爐管早期損傷磁性無(wú)損評(píng)估與壽命預(yù)測(cè)技術(shù) 北京康坦科技有限公司Beijing Constant Technology, Inc 裂解爐主要由輻射段，對(duì)流段，燃燒器，吹灰器，集煙罩，引風(fēng)機(jī)，廢熱鍋爐，鋼結(jié)構(gòu)等部分組成；其中輻射爐管和對(duì)流段爐管為裂解爐的關(guān)鍵部件：1、裂解爐輻射爐管均選用高鉻高鎳合金鋼管，Cr25-Ni20材質(zhì)的爐管，其最高使用溫度為1000：Cr25Ni35型材料的爐管，其最高使用溫度為1 100；Cr35-Ni45型材料的爐管，其最高使用溫度為1 150。2、裂解爐對(duì)流段多組盤(pán)管組成，材質(zhì)為SA312-TP321H； 乙烯裂解爐爐管 乙烯裂解爐輻射段鍋爐管破裂乙烯裂解爐

2、輻射段爐管破裂一般起源于內(nèi)壁，屬于高溫下蠕變、滲碳、氧化腐蝕及熱應(yīng)力綜合作用下的熱疲勞斷裂(高溫腐蝕疲勞斷裂)或熱應(yīng)力循環(huán)次數(shù)較少的脆性破壞。由表看到，對(duì)爐管，直接由高溫滲碳(包括滲碳開(kāi)裂)引發(fā)的失效為60+49=109起，約占失效總數(shù)的50，其它失效的形式依次為：高溫蠕變變形和開(kāi)裂(65起，占29)，熱沖擊開(kāi)裂(24，占10)，熱疲勞開(kāi)裂(20，占9)；對(duì)于彎頭等管件，由熱疲勞殲裂引發(fā)的失效共14起，約占失效總數(shù)的近50，其次為蠕變開(kāi)裂失效共9起，占總數(shù)的31。乙烯裂解爐管損傷形式及機(jī)理裂解爐輻射段爐管發(fā)生的故障或事故，主要集中在以下幾個(gè)方面：1、 蠕變破壞：材料長(zhǎng)期在高溫應(yīng)力狀態(tài)下使用會(huì)產(chǎn)

3、生蠕變變形，爐管發(fā)生蠕變破壞的主要特征為：1)在直徑或軸線方向上產(chǎn)生塑性變形；2)管壁出現(xiàn)較多以軸向?yàn)橹鞯娜渥兞鸭y；3)顯微組織變化：蠕變裂紋基本是沿晶裂紋裂紋發(fā)生前出現(xiàn)晶界碳化物，呈較耗的不連續(xù)網(wǎng)鏈狀，二次碳化物粗化，產(chǎn)生蠕變孔洞和顯微裂紋等；4)蠕變孔洞；開(kāi)裂斷口處的微觀蠕變裂紋和孔洞HK40爐管的蠕變斷裂 2 2、熱疲勞損傷：裂解爐運(yùn)行期間承受管壁溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力和升降溫過(guò)程中的溫度、壓力變化產(chǎn)生的應(yīng)力變化及爐管重力、彎距和約束等交變熱應(yīng)力，產(chǎn)生熱疲勞-典型特征是龜裂；影響熱疲勞的主要因素是熱交替的次數(shù)、爐管溫度和應(yīng)力狀態(tài)及變化的幅度和頻率。實(shí)踐中，爐管彎頭部件發(fā)生熱疲勞裂紋的較多，分析

4、認(rèn)為，彎頭一般較厚，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜且其靜態(tài)鑄造組織致密度不如離心鑄造管，故容易出現(xiàn)熱疲勞龜裂。乙烯裂解爐管損傷形式及機(jī)理 3、熱沖擊應(yīng)力斷裂：爐管材料在服役時(shí)組織中的二次碳化物和晶界碳化物會(huì)不斷析出，使材料的中低溫韌性降低，在低溫下明顯脆化；而材料的脆化又使得其抗沖擊性能變差，在爐子升溫過(guò)程中產(chǎn)生的較大的熱應(yīng)力變化所形成的熱沖擊，必然會(huì)造成爐管材料的斷裂破壞。在實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)焊縫及爐出口三通組合件部位出現(xiàn)此類破壞最多。如圖表面為氧化脫碳組織，微裂紋沿晶分柿，斷裂裂紋有沿品和穿晶兩種。乙烯裂解爐管損傷形式及機(jī)理4、滲碳：在高溫狀態(tài)下，爐管內(nèi)部焦和碳的積累，使金屬組織中含碳量增加。爐管的滲碳，導(dǎo)致?tīng)t管

5、內(nèi)壁材料組成發(fā)生變化。碳化物含量增大，一方面，增加了爐管內(nèi)表面的脆性；另一方面，由于碳化物的物理性能不同于爐管材料本身的物理性能，在操作升降溫時(shí)，由于膨脹不同，在滲碳層附近組織界面將產(chǎn)生應(yīng)力。該應(yīng)力反復(fù)作用，將導(dǎo)致?tīng)t管內(nèi)壁微裂紋的產(chǎn)生、長(zhǎng)大和擴(kuò)展。在氧化腐蝕、應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)展速度加快，最終造成爐管斷裂失效。乙烯裂解爐管損傷形式及機(jī)理5、沖刷與管壁減薄： 爐管內(nèi)、外壁長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行下，均形成氧化皮，由于氧化物與基體之間結(jié)構(gòu)和性能有所差異，在升、降溫過(guò)程中氧化皮發(fā)生脫落，當(dāng)含有這種脫落物的流體介質(zhì)高速流入(裂解爐爐管內(nèi)氣體流速為l 5 0 mS左右)管內(nèi)時(shí)，對(duì)爐管材料沖刷及摩擦造成機(jī)械操作

6、損傷和脫落，使管壁(包括彎頭)壁厚減薄，局部減薄嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?tīng)t管穿孔甚至斷裂。乙烯裂解爐管損傷形式及機(jī)理乙烯裂解爐管損傷常規(guī)檢驗(yàn)技術(shù)n1、爐管宏觀分析1.1宏觀測(cè)厚1.2宏觀硬度測(cè)試1.3蠕變形量的測(cè)試1.4宏觀斷口分析n2、金相分析2.1宏觀金相檢查2.2微觀金相檢查2.3金相組織分析n3、化學(xué)成分分析n4、常溫拉伸性能試驗(yàn)n5、爐管運(yùn)行損失及裂紋成因分析5.1爐管超高溫過(guò)熱因素分析5.2滲碳損傷因素分析乙烯裂解爐爐管損傷磁滯特征參數(shù)無(wú)損評(píng)估技術(shù)乙烯裂解爐爐管損傷評(píng)估技術(shù) 目前乙烯裂解爐爐管損傷評(píng)估技術(shù)只能采取現(xiàn)場(chǎng)切割試樣，在實(shí)驗(yàn)室分析爐管損傷程度，多屬破壞性的評(píng)估技術(shù)。磁滯無(wú)損評(píng)估技術(shù)能在

7、爐管檢修期間，能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并快速評(píng)估爐管的損傷程度，無(wú)須切割爐管，將具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 乙烯裂解爐爐管在高溫、高碳氛圍等惡劣環(huán)境下服役的過(guò)程中，爐管材料的機(jī)械性能必然因材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征改變而降級(jí)，同時(shí)也改變了材料的磁滯特征參數(shù)，因其非常敏感于材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化。相反，材料的磁滯回線形狀特征參數(shù)的變化也反應(yīng)了材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)特征的變化：可以通過(guò)刻畫(huà)和評(píng)估材料的磁滯行為，以一種無(wú)損的方式，來(lái)識(shí)別材料的微觀結(jié)構(gòu)變化和監(jiān)測(cè)材料機(jī)械性能的降級(jí)。 在碳?xì)浠衔锪鸦陂g，爐管內(nèi)壁堆積的焦炭被蒸汽和空氣的混合物燃燒掉；輻射段爐管所承受的最高溫度為1100 C，最高壓力為1 Mpa；在

8、整個(gè)過(guò)程中，爐管內(nèi)壁表面將發(fā)生滲碳：碳原子與不同的合金元素發(fā)生交互作用；由于高溫環(huán)境，爐管外壁發(fā)生氧化；滲碳和氧化將改變爐管材料近表層區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分，從而降低爐管壽命。除滲碳和氧化外，服役輻射段爐管也遭受著蠕變損傷、熱應(yīng)力和熱疲勞等多種形式的破壞。這使?fàn)t管內(nèi)、外壁表層及近表層甚至內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，引起爐管材料的磁滯特性參數(shù)發(fā)生改變，研究表明：采用材料的磁滯特性評(píng)估技術(shù)對(duì)乙烯裂解爐爐管損傷程度進(jìn)行無(wú)損評(píng)估是可行的。乙烯裂解爐爐管損傷評(píng)估技術(shù)材料的磁滯行為材料鐵磁磁滯回線不同時(shí)期磁疇壁運(yùn)動(dòng)材料鐵磁磁滯回線不同時(shí)期磁疇壁運(yùn)動(dòng)微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力影響磁滯回線形狀

9、材料微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)材料磁滯回線特征參數(shù)的影響材料所遭受應(yīng)力對(duì)材料磁滯回線特征參數(shù)的影響微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力影響縱向磁致伸縮材料微觀組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械應(yīng)力對(duì)材料縱向磁致伸縮的影響磁滯特征參數(shù)無(wú)損評(píng)估新技術(shù)磁滯回線的不同參數(shù)：剩磁Br, 矯頑力Hc, 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs, 初始微分磁導(dǎo)率in, 最大微分磁導(dǎo)率max, 磁滯損耗Wh, 最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm, 初始微分非磁滯磁導(dǎo)率an, 蠕變過(guò)程中材料微觀結(jié)構(gòu)變化可以用磁滯回線形狀的變化來(lái)反映材料破損前的狀態(tài)材料破損前的狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)當(dāng)前狀態(tài)初始狀態(tài)初始狀態(tài)爐管內(nèi)部微觀組織損傷累積過(guò)程中矯頑力的增長(zhǎng)Hc maxHc min磁滯參數(shù)用于評(píng)估材料多種因子引起的失效

10、機(jī)理Hc maxHc minABC(damage)5-20毫米鋼板的磁性和機(jī)械性能參數(shù)對(duì)比表MA多參數(shù)磁性分析設(shè)備低碳鋼的磁滯回線特征參數(shù)高碳鋼的磁滯回線特征參數(shù)同時(shí)測(cè)量多組磁滯回線特征參數(shù)：矯頑力、剩磁、最大微分磁導(dǎo)率、初始微分磁導(dǎo)率、磁滯損耗及松弛參數(shù)等多組磁性參數(shù)來(lái)分析評(píng)估材料的機(jī)械性能降級(jí)。矯頑力測(cè)量設(shè)備矯頑力測(cè)量設(shè)備操作簡(jiǎn)單, 數(shù)據(jù)采集僅僅需要8秒鐘: 手持式計(jì)算機(jī)與矯頑力主機(jī)通過(guò)無(wú)線通訊連接;軟件能立即儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果并顯示給操作人員:數(shù)據(jù)圖表彩色分布柱狀圖平均值離散值1.手持式計(jì)算機(jī)能夠發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器用于分析和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù). 材料在機(jī)械循環(huán)應(yīng)力的作用下連續(xù)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)聚集

11、和運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致微觀損傷累積-疲勞；循環(huán)加載下材料微觀結(jié)構(gòu)變化循環(huán)載荷作用致使位錯(cuò)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)使極性相反的位錯(cuò)形成穩(wěn)定的配對(duì)結(jié)構(gòu)；循環(huán)加載下材料微觀結(jié)構(gòu)變化 位錯(cuò)偶極子累積自發(fā)形成脈狀結(jié)構(gòu)：a 計(jì)算機(jī)模型；b 掃描電鏡；循環(huán)加載下材料微觀結(jié)構(gòu)變化持續(xù)循環(huán)加載導(dǎo)致脈狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)密度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)處于一個(gè)彈性的不穩(wěn)定狀態(tài)，驅(qū)使脈狀位錯(cuò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為持久穩(wěn)固的滑移帶（PSBs）結(jié)構(gòu)：a 計(jì)算機(jī)模型：PSBs有一個(gè)類似階梯狀結(jié)構(gòu)；b 掃描電鏡圖片；循環(huán)加載和高溫下材料微觀結(jié)構(gòu)變化 刃型位錯(cuò)滑移過(guò)程 循環(huán)加載和高溫下材料微觀結(jié)構(gòu)變化 蠕變過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)滑移 蠕變模型圖 赫型蠕變示意圖赫型蠕變示意圖 擴(kuò)散型蠕變示意圖

12、擴(kuò)散型蠕變示意圖蠕變疲勞失效機(jī)制a）疲勞為主，b）蠕變?yōu)橹鳎琧）蠕變疲勞交互作用（相應(yīng)的蠕變損傷的積累），d）蠕變疲勞的交互作用（蠕變損傷的同時(shí)積累）爐管蠕變損傷蠕變損傷沿晶界傳播，蠕變空腔合并形成晶間裂紋；乙烯裂解爐爐管滲碳損傷乙烯裂解爐爐管內(nèi)壁滲碳、外壁氧化圖所示為服役2年的爐管內(nèi)外表面光學(xué)顯微照片。它表明：爐管內(nèi)部自由晶界碳化物距離內(nèi)壁邊緣150m，距離外壁邊緣250m；掃描電鏡能譜分析顯示：初始試樣晶界富Cr碳化物（Cr3C7）在經(jīng)過(guò)服役暴露后轉(zhuǎn)化成粗大碳化物（Cr23C6）。通過(guò)能譜分析儀在爐管內(nèi)壁和外壁邊緣同時(shí)也檢測(cè)到貧Cr區(qū)域；發(fā)現(xiàn)2年服役期輻射段爐管的最外層Cr濃度下降到11%

13、，而最內(nèi)層Cr濃度下降到19%。2年半服役期輻射段爐管的最外層和最內(nèi)層Cr濃度接近于8%。爐管內(nèi)壁滲碳及外壁氧化在高溫下?tīng)t管外表面會(huì)形成氧化物。Cr氧化物的形成會(huì)降低爐管外層的Cr含量，并分解碳化物，將導(dǎo)致?tīng)t管近外表層自由晶界碳化物；爐管內(nèi)壁石腦油裂解產(chǎn)生的分散碳原子與Cr原子相互作用，形成碳化物并隨晶界碳化物增長(zhǎng)；達(dá)到臨界尺寸，碳化物作為金屬粉塵從爐管表面析出。金屬粉塵和Cr損耗將導(dǎo)致?tīng)t管內(nèi)近表層碳化物分解，將導(dǎo)致自由晶界碳化物；因此，爐管外表面氧化和內(nèi)表面滲碳將導(dǎo)致?tīng)t管內(nèi)外表層形成貧Cr區(qū)。2年服役爐管外表面高的Cr損耗表明：初始服役期，相對(duì)于滲碳過(guò)程，氧化過(guò)程是主要的。但是，通過(guò)對(duì)2年半

14、的服役爐管觀測(cè)，隨著服役期的延長(zhǎng)，氧化過(guò)程變得緩慢。爐管滲碳層厚度及碳化物形貌高溫下在爐管內(nèi)壁石腦油裂解產(chǎn)生的分散碳原子與Cr和Nb原子相互作用，形成碳化鉻和碳化鈮并隨晶界碳化物增長(zhǎng)；達(dá)到臨界尺寸，碳化物作為金屬粉塵從爐管表面析出。金屬粉塵和Cr損耗及Nb損耗將導(dǎo)致?tīng)t管內(nèi)近表層碳化物分解，將導(dǎo)致自由晶界碳化物。爐管外壁高溫氧化層及合金混合物高溫下在爐管外壁發(fā)生氧化，外壁表層及近表層形成多種氧化物：鉻、鎳、鈮、鈦和硅等氧化混合物。爐管高溫蠕變空洞高溫及熱沖擊等變動(dòng)應(yīng)變循環(huán)所致的蠕變空洞Cr-C-O化物在高溫時(shí)穩(wěn)定圖表Cr23C6, Cr7C3, and Cr3C2三種碳化物在不同溫度下的穩(wěn)定圖表

15、. 碳化物在高溫形成的標(biāo)準(zhǔn)自由能乙烯裂解爐爐管損傷磁滯曲線由于爐管的初始狀態(tài)是非磁性的，磁滯特性評(píng)估僅僅在已服役爐管，通過(guò)損壞和無(wú)損的方式被計(jì)算出來(lái)。兩種不同服役期的爐管被用于研究：(a) 2年；(b) 2年半。從服役爐管上切割環(huán)形試樣，并測(cè)量其磁滯回線。表1為測(cè)量的磁滯參數(shù)。從表1可以清楚看到：隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，所有的磁滯參數(shù)都將變化。乙烯裂解爐爐管損傷磁滯曲線在服役兩年的爐管試樣上，去除1毫米外表層，重新測(cè)量磁滯回線，沒(méi)有可測(cè)量的磁滯回線，這表明：僅僅外表層具有磁性；但是，在服役兩年半爐管試樣上，去除1毫米外表層，重新測(cè)量磁滯回線，得到了如圖3所示的磁滯回線。乙烯裂解爐爐管損傷磁感應(yīng)強(qiáng)度

16、與磁化頻率曲線圖4所示為服役兩年半的爐管試樣在不同磁化頻率下的磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁化頻率越低，滲透深度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）越大。乙烯裂解爐爐管損傷不同頻率磁化強(qiáng)度圖4所示為服役兩年和兩年半的爐管試樣在兩種不同磁化頻率下的磁感應(yīng)強(qiáng)度：低的磁化頻率（10Hz），服役兩年的試樣的滲透深度（磁感應(yīng)強(qiáng)度）要低于服役兩年半的試樣；提高磁化頻率（62Hz），兩者的滲透深度（磁感應(yīng)強(qiáng)度） 相同。Fe-Ni-Cr相圖：爐管的磁性變化退磁狀態(tài)的Fe、Ni和Cr成分表明它處于鐵磁性區(qū)域；通過(guò)掃描電鏡光譜分析，在服役2年輻射段爐管外表面和內(nèi)表面觀測(cè)到成分發(fā)生變化：爐管外表面相對(duì)于內(nèi)表面，Cr損耗更多；Cr損耗相對(duì)于Fe和Ni含量

17、增大：由于氧化，在爐管外表面發(fā)生Cr損耗，F(xiàn)e和Ni含量增大，爐管外表層變得有磁性；由于服役2年?duì)t管滲碳較少，爐管內(nèi)表層發(fā)生Cr損耗，相對(duì)Fe和Ni含量增大仍就不足，使?fàn)t管內(nèi)表面具有磁性；因此，鐵磁性沒(méi)有在去除1毫米外表層的爐管上觀測(cè)到。但是，在服役2年半的爐管試樣上，內(nèi)外壁Cr損耗幾乎一樣，導(dǎo)致在內(nèi)外表面具有磁性。在兩種不同爐管試樣上觀測(cè)到不同的磁性現(xiàn)象，表明：通過(guò)磁滯無(wú)損評(píng)估技術(shù)可用于滲碳深度測(cè)量和爐管壽命評(píng)估。 矯頑力測(cè)量是一種首選的切實(shí)有效的鐵磁性金屬材料疲勞狀態(tài)預(yù)檢測(cè)診斷評(píng)估方法； 矯頑力測(cè)量能定性定量描述鐵磁性金屬疲勞降級(jí)； 矯頑力測(cè)量方法：操作簡(jiǎn)單，采集數(shù)據(jù)僅需8秒鐘，無(wú)需使用耦合劑，無(wú)需清理工件表面污垢或油漆層，無(wú)需打磨工件，最大提離距離為6毫米； 采用矯頑力測(cè)量方法，它能夠快速分辨出疲勞危險(xiǎn)區(qū)域, 最大程度減少常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)整個(gè)區(qū)域掃查，使常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段重點(diǎn)掃查那些最可能要出現(xiàn)宏觀缺陷的危險(xiǎn)區(qū)域；基于鐵磁性材料磁滯回線形狀特征參數(shù)高度敏感于材料微觀組織結(jié)構(gòu)的變化，材料的磁滯回線形狀特征參數(shù)被用于識(shí)別材料的微觀結(jié)構(gòu)變化和監(jiān)測(cè)材料機(jī)械性能的降級(jí)，磁滯無(wú)