高温炉管安全评价及寿命预测系统

中国 · 无锡

石油化工行业是现代工业体系中的重要组成部分，制氢炉、转化炉、裂解炉是石化行业关键的高温设备，高温炉管是这些设备的核心部件。炉管服役条件恶劣，承受高温(900℃~1200℃)、高压(2.5~5MPa)及夹带颗粒的腐蚀性气体的冲蚀。

服役过程中会发生蠕变、热疲劳、氧化、渗碳、腐蚀等现象，造成炉管性能劣化甚至失效。任何一根炉管的损坏，均将造成整个装置停车，除造成巨大的经济损失外，还极易引发火灾、爆炸和人身伤亡事故。 

各种不同的制氢转化炉型

转化炉管排

炉管排列示意图

炉管开裂

下猪尾管开裂

高温炉管蠕变裂纹

对炉管性能的要求：

★ 良好的抗渗碳性能；

★ 良好的耐腐蚀性能；

★ 良好的抗高温蠕变性能；

★ 良好的抗热疲劳性能；

★ 良好的抗氧化性能；

★ 良好的导热及焊接性能。

目前我国常用型号HK40、HP40、HP50等

基体组织均为A+M7C3

高温炉管的铸态组织示意图

高温炉管的宏观组织示意图

HK40和HP40高温炉管的化学成分

HP40耐热钢其Ni含量比HK40提高了15%，目的是为了提高炉管在高温区的性能。Ni 含量增加也提高了抗氧化和抗渗碳能力，减少了碳在奥氏体中的溶解度。在含碳量相同的情况下，HP40比HK40炉管的共晶碳化物多，故使蠕变断裂抗力提高。

造成炉管失效的因素大致可分为以下三类：

1、外应力或热应力引起的失效：蠕变变形；蠕变断裂；热疲劳破坏等。

2、腐蚀引起的失效：氧化；渗碳；氢腐蚀；硫腐蚀；钒腐蚀及氮化等。

3、材质劣化或材质缺陷引起的失效：相脆化；组织劣化；475℃脆化；材质冶金缺陷等。

首先在管壁内产生空洞，空洞几乎都在碳化物与基体的交界处形成。随蠕变的进行，空洞增加并沿碳化物连接起来形成微裂纹。随后，裂纹先向内侧，后向外侧扩展，在炉管内压及热应力等作用下，终导致炉管开裂。

高温炉管的蠕变裂纹

目前高温炉管安全评价技术体系：

超声检测：

高温炉管是离心铸造的奥氏体不锈钢，料晶粒粗大、表面粗糙。超声波检测大晶粒奥氏体不锈钢遇到的两个主要问题是粗大的树枝状晶和晶粒的择优取向，由于声阻抗的变化，晶界散射使较大部分能量耗散在晶界上，常规的超声检测方法是无法进行检测的。

早在70年代末，国外就投入了大量的人力物力开展了高温炉管检测技术的研究，1982年，美国的Conam公司在我国的辽河化肥厂进行了初次的现场实际检测，但其核心技术一直对外保密。随着我国国民经济的发展，大型炼油装置和合成氨装置的不断引进，迫切需要快速、准确的高温炉管检测技术。

国内较早开展高温炉管检测技术研究的是大连理工大学，从1983年开始就着手此项技术的研究，成功地开发了利用透射法检测HK40材料的高温炉管，波形清晰，定性准确，并在炉管的损伤形式、级别评定及寿命预测方面进行了大量的研究工作，成功地替代国外技术并开始在全国进行了推广应用。

江苏知检工业技术有限公司在以上基础上进行了设备的硬件和软件的更新，并且与大连理工大学建立了长期产、学、研合作关系，建立大数据库，对于奥氏体材料的安全评价和剩余寿命评估更加科学更加准确。

江苏知检工业技术有限公司采用新一代机器人进行爬行超声检测，有行业经验的技术专家和教授对检测结果进行科学比对和评估，为客户提供准确的检测信息结果，并为用户提供一揽子使用操作建议。