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Cr5Mo、Cr9Mo爐管設計探討

 Cr5Mo、Cr9Mo鋼具有回火脆性,為保證爐管的長周期安全運行,設計人員應根據使用環境選擇合適的牌號,并在設計文件中對爐管提出一系列補充技術要求。補充技術要求包括對爐管的化學成分作出限制;對爐管的拉伸性能作出要求;熱處理工藝選擇正火加退火;對爐管硬度值作出限制;逐根進行超聲波檢驗、渦流探傷檢查和水壓試驗;焊接前進行預熱,焊接后立即進行熱處理,并檢測接頭硬度值是否在允許范圍內。

引言

Cr5Mo、Cr9Mo爐管具有較高的耐高溫強度極限和蠕變極限,同時擁有優異的抗氧化性、抗硫能力和抗氫腐蝕特性,與奧氏體不銹鋼等材料相比價格便宜,故在常減壓、焦化、加氫和重整等裝置的加熱爐上得到廣泛應用。但鉻鉬鋼材料脆硬傾向大,易產生裂紋,在腐蝕性介質和高溫的操作條件下長期運行后,可能發生脆硬而失穩。國內外發生過多起Cr5Mo、Cr9Mo爐管破裂著火事故,應引起業內的重視和警惕。

為保障爐管的長周期安全運行,設計人員在設計使用Cr5Mo、Cr9Mo合金耐熱鋼爐管時,應選擇合適的牌號,并對爐管化學成分、力學性能、硬度、檢查、試驗、缺陷處理、焊接和焊后熱處理提出一系列補充技術要求。本文主要從設計角度對Cr5Mo、Cr9Mo爐管相關問題進行探討。

2 Cr5Mo、Cr9Mo爐管設計的相關問題

2.1 材料選擇

爐管及其連接件的材料選擇主要考慮三方面的因素:管材的最高使用溫度、管材的高溫強度和管內外介質的腐蝕。Cr5Mo、Cr9Mo爐管使用溫度見表1。 

表1 Cr5Mo、Cr9Mo爐管金屬的使用溫度

  爐管材質  鋼號

 最高使用溫度

℃ 

 極限設計金屬溫度

℃ 

 臨界下限溫度

℃ 

 抗氧化極限溫度

℃ 

    ASTM    GB 9948

Cr5Mo

T5、P5 12Cr5MoI、12Cr5MoNT 600650820

650

Cr9MoT9、P912Cr9MoI、12Cr9MoNT650705825705

需要注意的是,國內焦化爐爐管材料多為Cr5Mo(A335 P5),但由于輻射爐管的金屬壁溫可達到560℃(開工初期)~650℃(開工末期),而Cr5Mo材質爐管的最高使用溫度為600℃,因此采用Cr5Mo材質爐管的焦化爐多存在高溫區爐管嚴重氧化爆皮的現象,均須定期更換,從而影響了焦化爐的長周期操作。國外延遲焦化爐爐管多采用Cr9Mo材質,Cr9Mo材質爐管的最高使用溫度可達650℃,極限設計金屬溫度為705℃,可有效避免氧化爆皮現象發生。因此新設計的雙面輻射焦化爐爐管宜采用Cr9Mo材質。

Cr5Mo、Cr9Mo鋼添加了Cr、Mo等合金元素,具有良好的抗氫和抗硫腐蝕能力。爐管金屬的硫腐蝕速率按修正過的McConomy曲線取值。一般硫含量(質量分數)小于0.5%,溫度低于400℃時可選用碳鋼;硫的質量分數大于0.5%,溫度高于400℃時,應選用Cr5Mo或Cr9Mo。爐管金屬的氫加硫化氫腐蝕比單獨的氫或單獨的硫化氫腐

蝕劇烈,一般介質內硫化氫的體積分數大于0.1%時,已不宜再用鉻鉬鋼,而應采用經固溶和穩定化處理的TP321或TP347爐管。

2.2 執行標準及材料牌號

前些年,一般煉油裝置管式加熱爐所用的爐管,僅碳鋼爐管是國產的,鉻鉬鋼和不銹鋼爐管基本上都是進口的。隨著國內鋼鐵冶煉技術的進步和制造技術的提高,爐管的國產化率越來越高,不僅可以按國內標準生產,也可以按美國ASTM等標準生產。Cr5Mo、Cr9Mo爐管執行的國內標準為GB 9948,美標為ASTM A335/A335M。

GB 9948-2013《石油裂化用無縫鋼管》自2014年7月1日起實施,根據鋼管的熱處理制度不同,Cr5Mo爐管細分為12Cr5MoI和12Cr5MoNT兩個牌號,Cr9Mo爐管細分為12Cr9MoI和12Cr9MoNT兩個牌號,后綴符號I表示鋼管交貨狀態為完全退火或等溫退火,后綴符號NT表示鋼管交貨狀態為正火加回火。

2.3 爐管回火脆性

Cr5Mo、Cr9Mo爐管回火脆性分為兩類,第一類是在制造安裝過程中,由爐管回火處理或焊后熱處理過程中所產生的脆化;第二類是長期在回火脆化溫度范圍內使用而發生的脆化。鉻鉬鋼出現回火脆性的溫度范圍為370~600℃,溫度越高脆化速度越快。

鉻鉬鋼回火脆性發生的機理,比較重要的晶界偏聚機制:鉻鉬鋼在一定溫度回火、回火后冷卻或長期在370~600℃運行時,材料含有的P、Sb、Sn、As等有害元素在奧氏體晶界處偏聚,當材料經受沖擊或拉伸時,晶面能已下降的晶界處很容易首先開裂。降低材料回火脆化敏感性的根本方法是控制這些有害元素在鋼中的含量。通常用焊縫金屬的回火脆化敏感性系數X和鋼材的回火脆化敏感性系數J加以控制:

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2(式中的元素符號表示該元素的質量分數,以ppm表示);

J=(Mn+Si) (P+ Sn)×104(式中的元素符號表示該元素的質量分數,以百分含量表示)。

對鉻鉬鋼材料,一般要求X≦15,J≦150。

此外,可通過分步冷卻(S.C)試驗評估爐管及焊接接頭回火脆性敏感性。

2.4 補充技術要求

標準規范規定了鉻鉬鋼爐管的通用技術要求,為保障鉻鉬鋼爐管安全,還應在設計文件中就爐管化學成分、力學性能、爐管熱處理、硬度、檢查、試驗、缺陷處理、爐管焊接和焊后熱處理作出補充規定。設計文件包括爐管詢價書、設計圖紙等等。

2.4.1 化學成分

為降低材料回火脆化敏感性,Cr5Mo、Cr9Mo爐管化學成分應符合表2的要求。

表2 Cr5Mo、Cr9Mo爐管的化學成分  (wt%)

       元素       CMnPSSiCrMoCu
12Cr5MoNT0.09~0.140.3~0.5 ≤0.015  ≤0.008 0.20~0.404.0~6.00.45~0.600.1
12Cr9MoNT0.09~0.140.3~0.50.0150.0050.35~0.558.5~10.00.92~1.10.1

制造廠應對爐管進行成品分析,并提供分析報告。

2.4.2 爐管的力學性能

Cr5Mo、Cr9Mo爐管的力學性能除應滿足標準規范的規定外,拉伸性能應符合表3的要求。

表3 Cr5Mo、Cr9Mo爐管拉伸性能要求

   試驗條件      材料      拉伸強度 MPa      屈服強度 MPa   
650℃Cr5Mo≥155 ≥85 
700℃Cr9Mo≥97≥55

2.4.3 爐管熱處理

為使材料晶粒細化、組織均勻溫度、強度與塑性配合適宜,需對材料進行熱處理。正火加回火熱處理后的材料抗拉強度、下屈服強度等指標要優于退火熱處理后的材料指標,故煉油裝置管式加熱爐所用的Cr5Mo、Cr9Mo爐管,交貨狀態應為正火加回火。熱處理的加熱溫度、保溫時間和冷卻方式等應載入質量證明文件中。

鋼材在回火溫度達到600℃以上時,有害元素在晶界的偏聚就會受到原子熱運動的影響而消失, 從而能大大降低回火脆化敏感性。12Cr5MoNT和12Cr9MoNT爐管回火熱溫度分別要求為730~770℃和720~800℃。

2.4.4 爐管硬度

需對Cr5Mo、Cr9Mo爐管硬度值作出限制,以降低爐管材料脆性,提高韌性。

GB 9948-2013《石油裂化用無縫鋼管》規定了12Cr5MoI和12Cr9MoI材料的硬度值分別不大于163HBW和179HBW,而對12Cr5MoNT和12Cr9MoNT材料硬度值未做規定。參考工程案例,建議12Cr5MoNT材料的爐管硬度不大于179HBW,12Cr9MoNT材料的爐管硬度不大于200HBW。

2.4.5 爐管檢查和試驗

所有Cr5Mo、Cr9Mo爐管,應逐根進行100%縱向和橫向超聲波檢驗,對比樣管外表面縱向刻槽深度為壁厚的5%,且不超過1mm;應逐根進行100%的渦流探傷檢查,試塊參考槽開孔直徑不大于2.2mm;應逐根進行水壓試驗。

2.4.6 缺陷處理

爐管內外表面不得有裂紋、夾渣、折疊、劃傷及凹陷等缺陷。爐管的任何缺陷不得采用補焊修理,僅允許通過打磨消除,且打磨后的壁厚不得小于最小壁厚。

2.4.7 爐管焊接

Cr5Mo、Cr9Mo爐管焊接執行標準為SH/T3085-2016《石油化工管式爐碳鋼和鉻鉬鋼爐管焊接技術條件》。爐管和管件施焊前應根據材料的脆硬性等進行預熱,以降低焊接接頭硬度和焊接應力。焊接時應采用多層多道的焊接方法。

2.4.8 焊后熱處理

爐管及管件焊接后,應立即對焊接接頭進行焊后熱處理,以細化晶粒、均勻組織、消除焊接殘余應力,降低硬度、提高接頭的綜合力學性能。焊后熱處理參數可根據SH/T 3085-2016《石油化工管式爐碳鋼和鉻鉬鋼爐管焊接技術條件》中表7.4.7確定。

焊后熱處理的效果主要通過測定硬度值進行檢驗。熱處理后,應對焊縫、熱影響區及其附近母材分別抽檢表面布氏硬度,抽檢數量不少于熱處理焊接接頭總量的20%。對Cr5Mo、Cr9Mo材料,測得的布氏硬度不得大于241HBW,否則應重新進行熱處理并做硬度檢測。

結語

在設計階段,設計人員應根據使用環境選擇合適的Cr5Mo、Cr9Mo爐管材料及牌號,并在設計文件中對爐管化學成分、力學性能、爐管熱處理、硬度、檢查、試驗、缺陷處理、爐管焊接和焊后熱處理提出一系列補充技術要求。好的設計是降低爐管回火脆化敏感性、避免爐管事故發生的前提。



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