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Cr5Mo、Cr9Mo炉管设计探讨

 Cr5Mo、Cr9Mo钢具有回火脆性,为保证炉管的长周期安全运行,设计人员应根据使用环境选择合适的牌号,并在设计文件中对炉管提出一系列补充技术要求。补充技术要求包括对炉管的化学成分作出限制;对炉管的拉伸性能作出要求;热处理工艺选择正火加退火;对炉管硬度值作出限制;逐根进行超声波检验、涡流探伤检查和水压试验;焊接前进行预热,焊接后立即进行热处理,并检测接头硬度值是否在允许范围内。

引言

Cr5Mo、Cr9Mo炉管具有较高的耐高温强度极限和蠕变极限,同时拥有优异的抗氧化性、抗硫能力和抗氢腐蚀特性,与奥氏体不锈钢等材料相比价格便宜,故在常减压、焦化、加氢和重整等装置的加热炉上得到广泛应用。但铬钼钢材料脆硬倾向大,易产生裂纹,在腐蚀性介质和高温的操作条件下长期运行后,可能发生脆硬而失稳。国内外发生过多起Cr5Mo、Cr9Mo炉管破裂着火事故,应引起业内的重视和警惕。

为保障炉管的长周期安全运行,设计人员在设计使用Cr5Mo、Cr9Mo合金耐热钢炉管时,应选择合适的牌号,并对炉管化学成分、力学性能、硬度、检查、试验、缺陷处理、焊接和焊后热处理提出一系列补充技术要求。本文主要从设计角度对Cr5Mo、Cr9Mo炉管相关问题进行探讨。

2 Cr5Mo、Cr9Mo炉管设计的相关问题

2.1 材料选择

炉管及其连接件的材料选择主要考虑三方面的因素:管材的最高使用温度、管材的高温强度和管内外介质的腐蚀。Cr5Mo、Cr9Mo炉管使用温度见表1。 

表1 Cr5Mo、Cr9Mo炉管金属的使用温度

  炉管材质  钢号

 最高使用温度

℃ 

 极限设计金属温度

℃ 

 临界下限温度

℃ 

 抗氧化极限温度

℃ 

    ASTM    GB 9948

Cr5Mo

T5、P5 12Cr5MoI、12Cr5MoNT 600650820

650

Cr9MoT9、P912Cr9MoI、12Cr9MoNT650705825705

需要注意的是,国内焦化炉炉管材料多为Cr5Mo(A335 P5),但由于辐射炉管的金属壁温可达到560℃(开工初期)~650℃(开工末期),而Cr5Mo材质炉管的最高使用温度为600℃,因此采用Cr5Mo材质炉管的焦化炉多存在高温区炉管严重氧化爆皮的现象,均须定期更换,从而影响了焦化炉的长周期操作。国外延迟焦化炉炉管多采用Cr9Mo材质,Cr9Mo材质炉管的最高使用温度可达650℃,极限设计金属温度为705℃,可有效避免氧化爆皮现象发生。因此新设计的双面辐射焦化炉炉管宜采用Cr9Mo材质。

Cr5Mo、Cr9Mo钢添加了Cr、Mo等合金元素,具有良好的抗氢和抗硫腐蚀能力。炉管金属的硫腐蚀速率按修正过的McConomy曲线取值。一般硫含量(质量分数)小于0.5%,温度低于400℃时可选用碳钢;硫的质量分数大于0.5%,温度高于400℃时,应选用Cr5Mo或Cr9Mo。炉管金属的氢加硫化氢腐蚀比单独的氢或单独的硫化氢腐

蚀剧烈,一般介质内硫化氢的体积分数大于0.1%时,已不宜再用铬钼钢,而应采用经固溶和稳定化处理的TP321或TP347炉管。

2.2 执行标准及材料牌号

前些年,一般炼油装置管式加热炉所用的炉管,仅碳钢炉管是国产的,铬钼钢和不锈钢炉管基本上都是进口的。随着国内钢铁冶炼技术的进步和制造技术的提高,炉管的国产化率越来越高,不仅可以按国内标准生产,也可以按美国ASTM等标准生产。Cr5Mo、Cr9Mo炉管执行的国内标准为GB 9948,美标为ASTM A335/A335M。

GB 9948-2013《石油裂化用无缝钢管》自2014年7月1日起实施,根据钢管的热处理制度不同,Cr5Mo炉管细分为12Cr5MoI和12Cr5MoNT两个牌号,Cr9Mo炉管细分为12Cr9MoI和12Cr9MoNT两个牌号,后缀符号I表示钢管交货状态为完全退火等温退火,后缀符号NT表示钢管交货状态为正火加回火。

2.3 炉管回火脆性

Cr5Mo、Cr9Mo炉管回火脆性分为两类,第一类是在制造安装过程中,由炉管回火处理或焊后热处理过程中所产生的脆化;第二类是长期在回火脆化温度范围内使用而发生的脆化。铬钼钢出现回火脆性的温度范围为370~600℃,温度越高脆化速度越快。

铬钼钢回火脆性发生的机理,比较重要的晶界偏聚机制:铬钼钢在一定温度回火、回火后冷却或长期在370~600℃运行时,材料含有的P、Sb、Sn、As等有害元素在奥氏体晶界处偏聚,当材料经受冲击或拉伸时,晶面能已下降的晶界处很容易首先开裂。降低材料回火脆化敏感性的根本方法是控制这些有害元素在钢中的含量。通常用焊缝金属的回火脆化敏感性系数X和钢材的回火脆化敏感性系数J加以控制:

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2(式中的元素符号表示该元素的质量分数,以ppm表示);

J=(Mn+Si) (P+ Sn)×104(式中的元素符号表示该元素的质量分数,以百分含量表示)。

对铬钼钢材料,一般要求X≦15,J≦150。

此外,可通过分步冷却(S.C)试验评估炉管及焊接接头回火脆性敏感性。

2.4 补充技术要求

标准规范规定了铬钼钢炉管的通用技术要求,为保障铬钼钢炉管安全,还应在设计文件中就炉管化学成分、力学性能、炉管热处理、硬度、检查、试验、缺陷处理、炉管焊接和焊后热处理作出补充规定。设计文件包括炉管询价书、设计图纸等等。

2.4.1 化学成分

为降低材料回火脆化敏感性,Cr5Mo、Cr9Mo炉管化学成分应符合表2的要求。

表2 Cr5Mo、Cr9Mo炉管的化学成分  (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

制造厂应对炉管进行成品分析,并提供分析报告。

2.4.2 炉管的力学性能

Cr5Mo、Cr9Mo炉管的力学性能除应满足标准规范的规定外,拉伸性能应符合表3的要求。

表3 Cr5Mo、Cr9Mo炉管拉伸性能要求

   试验条件      材料      拉伸强度 MPa      屈服强度 MPa   
650℃Cr5Mo≥155 ≥85 
700℃Cr9Mo≥97≥55

2.4.3 炉管热处理

为使材料晶粒细化、组织均匀温度、强度与塑性配合适宜,需对材料进行热处理。正火加回火热处理后的材料抗拉强度、下屈服强度等指标要优于退火热处理后的材料指标,故炼油装置管式加热炉所用的Cr5Mo、Cr9Mo炉管,交货状态应为正火加回火。热处理的加热温度、保温时间和冷却方式等应载入质量证明文件中。

钢材在回火温度达到600℃以上时,有害元素在晶界的偏聚就会受到原子热运动的影响而消失, 从而能大大降低回火脆化敏感性。12Cr5MoNT和12Cr9MoNT炉管回火热温度分别要求为730~770℃和720~800℃。

2.4.4 炉管硬度

需对Cr5Mo、Cr9Mo炉管硬度值作出限制,以降低炉管材料脆性,提高韧性。

GB 9948-2013《石油裂化用无缝钢管》规定了12Cr5MoI和12Cr9MoI材料的硬度值分别不大于163HBW和179HBW,而对12Cr5MoNT和12Cr9MoNT材料硬度值未做规定。参考工程案例,建议12Cr5MoNT材料的炉管硬度不大于179HBW,12Cr9MoNT材料的炉管硬度不大于200HBW。

2.4.5 炉管检查和试验

所有Cr5Mo、Cr9Mo炉管,应逐根进行100%纵向和横向超声波检验,对比样管外表面纵向刻槽深度为壁厚的5%,且不超过1mm;应逐根进行100%的涡流探伤检查,试块参考槽开孔直径不大于2.2mm;应逐根进行水压试验。

2.4.6 缺陷处理

炉管内外表面不得有裂纹、夹渣、折叠、划伤及凹陷等缺陷。炉管的任何缺陷不得采用补焊修理,仅允许通过打磨消除,且打磨后的壁厚不得小于最小壁厚。

2.4.7 炉管焊接

Cr5Mo、Cr9Mo炉管焊接执行标准为SH/T3085-2016《石油化工管式炉碳钢和铬钼钢炉管焊接技术条件》。炉管和管件施焊前应根据材料的脆硬性等进行预热,以降低焊接接头硬度和焊接应力。焊接时应采用多层多道的焊接方法。

2.4.8 焊后热处理

炉管及管件焊接后,应立即对焊接接头进行焊后热处理,以细化晶粒、均匀组织、消除焊接残余应力,降低硬度、提高接头的综合力学性能。焊后热处理参数可根据SH/T 3085-2016《石油化工管式炉碳钢和铬钼钢炉管焊接技术条件》中表7.4.7确定。

焊后热处理的效果主要通过测定硬度值进行检验。热处理后,应对焊缝、热影响区及其附近母材分别抽检表面布氏硬度,抽检数量不少于热处理焊接接头总量的20%。对Cr5Mo、Cr9Mo材料,测得的布氏硬度不得大于241HBW,否则应重新进行热处理并做硬度检测。

结语

在设计阶段,设计人员应根据使用环境选择合适的Cr5Mo、Cr9Mo炉管材料及牌号,并在设计文件中对炉管化学成分、力学性能、炉管热处理、硬度、检查、试验、缺陷处理、炉管焊接和焊后热处理提出一系列补充技术要求。好的设计是降低炉管回火脆化敏感性、避免炉管事故发生的前提。

原文出处:http://www.rcmetal.cn/post/180.html 


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