超温超压工况在役转化炉对流段换热管剩余寿命预测

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(1.中国特种设备检测研究院， 北京 100029；2.中石油燃料油有限责任公司 青岛仓储分公司， 山东 青岛 266599；3.甘肃省平凉市特种设备检验中心， 甘肃 平凉 744000)

超温超压工况在役转化炉对流段换热管剩余寿命预测

李景振1，刘春艳2，朱国栋3，都亮1，陈彦泽1

(1.中国特种设备检测研究院， 北京 100029；2.中石油燃料油有限责任公司 青岛仓储分公司， 山东 青岛 266599；3.甘肃省平凉市特种设备检验中心， 甘肃 平凉 744000)

基于设计规范ASME B31.3—2008《工艺管道》，对超温、超压工况下服役的甲醇转化炉对流段换热盘管直管段进行了壁厚强度核算，结果表明当前壁厚值满足超温、超压后的强度要求。利用寿命损耗分数法，针对整个服役过程中实际操作工况与设计工况偏离情况，通过计算换热管蠕变断裂使用因数u并结合工况适用性约束条件，得到当前超温、超压工况条件下换热管的最大服役时长为17 674 h，换热管预计总寿命比设计寿命缩短44.3%。给出了超温、超压工况对换热管剩余寿命的影响分析，可为设备维修管理提供理论依据。

换热管； 转化炉； 超温超压工况； 寿命损耗分数法； 剩余寿命； 预测

甲醇装置中的转化炉是利用天然气和蒸汽在炉管(反应管)内发生转化反应，制成含氢、一氧化碳和二氧化碳等甲醇合成气的主体设备。对流段混合蒸汽盘管是转化炉的重要组成部分，对其进行使用状况分析和寿命预测，对于保障甲醇装置和设备安全稳定运行具有重要意义。

近年来，随着石化装置大型化和运行负荷的大幅变化，转化炉内温度场不均匀导致的局部超温情况时有发生，致使转化炉换热管实际寿命较设计寿命偏短[1-3]。国内外学者在高温部件寿命预测方面进行了大量研究，形成诸多寿命估算方法[4-8]，如基于持久强度外推试验的LM参数法、OSD参数法、寿命损耗分数法，基于蠕变曲线的Omega参数法、θ函数法以及基于物理机制的连续介质蠕变损伤模型(CDM)等[9-12]。在工程应用中，以工况运行温度、压力和材料的蠕变断裂性能为依据的寿命损耗分数分析方法最为实用和常见[13-19]。

文中基于寿命损耗分数法，根据非设计工况蠕变断裂使用因子值和可接受准则，确定当前超温、超压工况下某甲醇装置转化炉对流段换热管的最长服役时间，得到了转化炉对流段换热管剩余寿命的计算值。

1 转化炉概况

某石化企业113万t/a甲醇装置转化炉对流段换热管设计标准为ASME B31.3—2008《工艺管道》[11]，换热管材质为A312 TP304H无缝圆管，尺寸Ø114.3 mm×6.02 mm，换热管腐蚀余量1 mm，管壁设计温度516 ℃，设计压力3.65 MPa，设计寿命10万h。

对流段换热管结构形式见图1。

图1 对流段换热管结构示图

该转化炉2013-05建成投产，根据不同时期转化炉对流段运行监测记录得到的相关服役工况参数见表1。

表1 转化炉对流段换热管相关运行参数

由表1数据可以看出，在经过最初18 000 h的设计工况服役运行后，对流段操作温度升至550 ℃，超过管壁设计温度34 ℃。在连续超温运行20 000 h后，操作压力超过设计压力达到4.05 MPa，并以超温、超压状态持续运行，当前工况下的服役时间t3待定。

2 超温超压工况换热管直管段壁厚强度校核

选取当前超温、超压工况为分析工况，依据设计标准对当前工况换热管应力水平进行校核。该换热管直管段管壁δm和外径D0比值为0.05，属薄壁管结构。内压作用下薄壁管结构最小壁厚的计算公式见式(1)，根据式(1)计算得到的当前工况下换热管计算厚度δ不应小于式(2)给出的换热管当前实际计算厚度δ0。

(1)

δm=δ0+c

(2)

式中，p为换热管内介质操作压力，取4.05 MPa；D为换热管外径，取114.3 mm；S为设计温度下的材料许用应力值，550 ℃下A312 TP304H材质的许用应力为95.5 MPa；E为质量因数，对无缝奥氏体A312管件，E=1.0；W为焊接接头强度减弱因数，对无缝钢管，W=1.0；Y为温度影响系数，取0.4；δm为直管设计厚度，校核时取当前换热管壁厚值6.02 mm；c为厚度附加量之和，其中腐蚀余量1 mm，对应于换热管管件的厚度减薄附加量为1 mm，故c取2 mm；δ0为换热管直管段实际计算厚度，为4.02 mm。

将各数值代入式(1)，得到超温、超压工况下换热管直管段计算厚度δ=2.38 mm<δ0=4.02 mm，即当前换热管直管段壁厚值满足超温、超压后的强度要求。

3 基于寿命损耗分数法的非设计工况剩余寿命计算

线性寿命损耗分数法给出了高温材料构件在超设计温度工况下服役的合于使用评价和剩余寿命计算方法，该方法是在已知各服役工况参数的条件下，计算各工况使用因数ui，通过线性累加得到换热管蠕变断裂使用因数u，以全部工况蠕变断裂使用因数u<1为约束条件，给出当前超温、超压工况下换热管的最大服役时间。

3.1等效应力Si

基于操作压力的等效应力Spi计算公式为：

(3)

式中，pi为工况i的操作压力，pmax为考虑厚度附加值情况下(不考虑焊接接头强度减弱因数W、焊接接头质量因数Ej或铸造质量因数Ec)连续操作的管道或部件的最大许用操作压力，kPa；Sd为设计温度下的许用应力，Spi为基于操作压力的等效应力，MPa。

等效应力Si的取值公式如下：

(4)

式中，SLi为管道纵向应力，MPa。

该转化炉对流段换热管为水平布置，且纵向无多余位移约束，SLi相较于Spi可认为是较小值，则有Si=Spi。各工况下最大许用操作压力、许用应力和等效应力值见表2，其中最大许用操作压力取为设计压力。

表2 不同工况下换热管等效应力值

3.2有效温度

将通过插值方法得到的基本许用应力值作为各工况等效应力值时，可得到相对应的温度值[7]，并作为该工况的有效温度tEi，有tE1=516 ℃、tE2=550 ℃、tE3=525 ℃。

3.3Larson-Miller参数

各服役工况对应的基本设计寿命情况下Larson-Miller参数(LMP)的计算公式如下：

LMP=(C+5)(tEi+273)

(5)

式中，C为Larson-Miller常数，奥氏体不锈钢和高镍合金取15。

将有效温度tEi代入式(5)可得LMP1=15 780、LMP2=16 460、LMP3=15 960。

3.4许用断裂寿命tri

各工况下的许用断裂寿命tri计算公式：

tri=10a

(6)

其中

式中，tri为对应某一服役工况i的许用断裂寿命，h；tm为各服役工况对应的操作温度，℃。

将相关数据代入式(6)可得tr1=100 000 h、tr2=100 000 h、tr3=24 547 h。

3.5当前工况最大服役时间t3

蠕变断裂使用因数u由各服役工况的独立使用因数求和得到：

(7)

各服役工况的持续时间ti数值见表1。

蠕变断裂使用因数u表示了包括超温工况在内的所有服役工况对蠕变断裂寿命的名义损耗状况，当u<1时，认为设备在上述服役工况条件下满足使用要求，由此条件可得当前工况条件下满足使用要求的最大服役时间t3，即：

(8)

将各值代入式(8)，得t3≤17 674 h，即当前超温、超压工况下满足使用条件的最大服役时长为17 674 h，换热管预计总寿命为55 674 h，较设计寿命缩短44 326 h。

4 结语

对超压、超温工况下的换热管直管段壁厚进行强度校核，结果表明设计壁厚值满足当前超温、超压操作条件的强度要求。考虑换热管经历了超温服役，建议在停车检修期间，采取金相分析、厚度测量、多参数磁性测试等有效手段对炉管进行全面的检验检测，必要时可对高温、高应力部位进行切管检测，从化学成分、力学性能、微观组织及冲击性能等方面开展分析测试。

基于寿命损耗分数法，通过蠕变断裂使用因数u<1的评价条件，计算得到当前超温、超压工况下满足使用条件的换热管最大服役时长为17 674 h，换热管预计总寿命为55 674 h，较设计寿命100 000 h缩短了44.3%，其中以当前超温、超压工况对换热管寿命的影响最为显著。建议设备管理方及时采取措施排除导致超温、超压的相关因素，严格控制和稳定工艺指标，保证操作的平稳程度，减少由于工艺指标不合格带来的压力及温度波动。

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(张编)

ResidualLifeAnalysisofIn-serviceReformerTubesUnderoffDesignConditionsBasedonLifeFractionRule

LIJing-zhen1，LIUChun-yan2，ZHUGuo-dong3，DULiang1，CHENYan-ze1

(1.China Special Equipment Inspection and Research Institute， Beijing 100029， China； 2.Qingdao Storage Branch， PertroChina Fuel Oil Co. Ltd.， Qingdao 266599， China； 3.Pingliang Special Equipment Inspection Center of Gansu Provence， Pingliang 744000， China)

According to ASME B31.3—2008PressurePiping，stress check is issued， aiming at the off design condition for tubes at the convection section of in-service methanol reformer as the operating pressure and temperature both exceed the design value. The analysis shows that the current thickness of tubes meets the demands of intensity. Based on the life fraction rule，the creep-rupture usage factoruis calculated and the maximum service duration is obtained with the work condition applicability constraint condition，the residual life of off design condition which is 44.3% less than designed life，theoretical basis for the maintenance of the equipment is provided.

heat exchange tube；reformer；temperature and pressure exceeding condition；life fraction rule； residual life； prediction

TQ051.503； TE965

A

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.02.005

1000-7466(2017)02-0025-04

2016-09-28

李景振(1981-)，男，北京人，工程师，学士，从事特种设备许可工作。