重整四合一炉用国产P9钢管服役状况和剩余寿命预测

陈文红

(中国石油化工股份有限公司 茂名分公司，广东茂名 525000)

0 引言

随着我国炼油工业飞速发展与国产原油能力不足的矛盾日益突出，自2000年以来国内进口中东高硫原油与日俱增。随着加工进口高硫原油量的不断增加，我国新建炼油装置和在役炼油装置中的高温临氢部位工艺管道和炉管，大量采用传统的石油裂化用无缝钢管(如P11，P12，P22，P5)或改用P9管[1-2]。

早期，国内石化行业所用的P9钢管基本从国外采购，但是交货期长，且价格昂贵，严重制约了我国石化行业的快速发展[3-4]。为了改变这种状况，宝钢于2005年开展石油裂化用P9钢管的研制，其研制的产品主要性能如下：抗拉强度540～560 MPa、屈服强度245～280 MPa、断后伸长率34.0%～37.5%，其产品性能满足美国材料与试验学会标准ASTM A335 的要求，可替代进口产品[5]。2006年3月，第一批国产化的P9钢管安装在茂名石化100万吨/年连续重整装置的四合一炉上，并于同年8月开始运行。截止到2009年装置停工大修时，P9炉管均使用正常，装置平稳。为了考察P9钢管的使用性能状况，2013年10月，茂名石化在大修期间切割出一根P9钢管进行了相关的试验研究，并对其剩余寿命进行了评估。本文针对该国产化的P9钢管的使用后情况进行研究分析，对其剩余寿命进行预测。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

该100万吨/年连续重整装置“四合一”重整加热炉P9钢管，服役时间为7年2个月，材料为P9，订货规格为∅114.3 mm×6.02 mm，管壁最高温度650 ℃，最高工作压力0.5 MPa，钢管内介质为氢气和石脑油气。

1.2 试验方法

采用游标卡尺和测厚仪分别对P9钢管外径和壁厚进行测量，测点沿炉管圆周间隔90°、沿炉管轴向间隔200 mm；采用Spectro MAXx型火花式直读光谱仪对P9钢管向火面和背火面部位化学成分进行测试。采用SHT4505型电液伺服万能材料试验机对P9钢管向火面和背火面部位进行室温拉伸试验，室温拉伸试样为矩形截面试样。采用应力控制加载模式，弹性及屈服阶段的应力速率为10 MPa/s，屈服后至试样断裂的位移速率为10 mm/min。采用CSS3905电子高温蠕变试验机对P9钢管向火面部位取样进行高温短时拉伸试验，高温短时拉伸试样为标准矩形截面蠕变试样。试验过程中通过上中下三段热电偶控制试样表面温度，并通过电脑程序控制载荷，使试样在恒定的环境温度下受到恒定的应力作用。采用RDJ-30型机械式高温持久试验机对P9钢管进行了不同温度、不同应力水平条件下的高温持久试验。选择矩形截面试样，标距30 mm，中心部位宽度10 mm，厚度2.5 mm。试样从室温加热至目标温度，保温1 h，施加应力至目标应力直至断裂，温度控制在±3 ℃以内。

样品通过磨制、抛光，再在5%HNO3酒精中进行浸蚀，浸蚀时间为10～30 s，浸蚀后将样品放入酒精溶液中清洗5～10 min，取出，烘干。采用XJG-05型光学金相显微镜对P9钢管向火面和背火面分别进行金相观察。采用ZEISS SUPRA 40型场发射扫描电子显微镜对P9钢管材料内外壁氧化层深度、显微组织、蠕变空洞等进行观察和表征，并进行微区EDS分析，重点分析氧化物和碳化物的种类和分布。

2 试验结果及分析

2.1 宏观检查结果

对P9钢管外径和壁厚分别进行测量，实测各部位外径最大值115.82 mm，最小值113.48 mm;各部位壁厚最大值6.6 mm，最小值5.8 mm，与订货规格基本没变化，由此可见,该P9钢管各部位未发生明显鼓胀等变形。根据四合一炉的加热方式，P9钢管在炉内有背火面部位和向火面部位，通过肉眼观察和比较发现，背火面的P9钢管外壁氧化较轻微，而向火面的外壁氧化较严重[6]。

2.2 化学成分测试

分别对P9钢管的向火面和背火面部位取样进行化学成分测试，结果见表1。

表1 化学成分检测结果 %

由表1可以看出，无论是背火面还是向火面，其各主要元素含量相近，且各元素含量均符合ASTM A335对P9材质的要求。

2.3 力学性能试验研究

对P9钢管背火面和向火面分别取室温拉伸试样，并对其进行测试，其结果如表2所示。可以看出，P9钢管背火面和向火面屈服强度、抗拉强度和断后伸长率均满足ASTM A335对P9材质的要求，且背火面和向火面室温力学性能无明显差别。

表2 室温拉伸试验结果

对P9钢管向火面所取试样进行650,620,540 ℃条件下的高温拉伸试验，结果见表3。由试验数据可以看出，随着试验温度升高，P9钢管的强度均降低，但断后伸长率增大。

表3 高温拉伸试验结果

2.4 微观组织观察及能谱分析

对P9钢管分别从圆周方向间隔90°取试样进行光学金相观察，通过对圆周方向4个不同部位光学金相照片观察发现：服役后的P9钢管组织均为贝氏体+少量铁素体[1]，不同部位试样组织无明显差异，且在光学显微镜下这些部位均未发现空洞、裂纹等缺陷，如图1,2所示。

图1 背火面金相组织照片

图2 向火面金相组织照片

通过对P9钢管向火面试样沿壁厚方向不同部位进行电子金相观察和微区EDS能谱分析，发现外壁主要为Fe和Cr的氧化物和碳化物，厚度约为120～250 μm，未见空洞、裂纹等缺陷(见图3、表4)。靠近外壁部位和中间壁厚主要为Fe和Cr的碳化物，其中灰黑色块状物为Al2O3和CaO夹杂物，且夹杂物呈块状，长约12 μm，宽约5 μm，未见裂纹，分别如图4、表5和图5、表6所示。

图3 向火面试样外壁部位能谱分析位置

表4 向火面试样外壁部位能谱分析结果 %

图4 向火面试样靠近外壁部位能谱分析位置

表5 向火面试样靠近外壁部位能谱分析结果 %

通过对四合一炉用国产P9钢管的成分分析发现，P9钢管中Cr元素质量分数较高，平均达到8.98%。P9钢管的化学成分与传统的石油裂化用无缝钢管(如P11，P12，P22，P5)相比，其Cr元素质量分数更高，有利于提高材料抗高温氧化腐蚀和热强性能，这是由于在高温服役过程中P9钢管表面形成较致密的Fe3O4·Cr2O3膜或致密的Cr2O3膜，可减缓钢管继续氧化的速度[5]。

图5 向火面试样中间壁厚部位能谱位置

表6 向火面试样中间壁厚部位能谱分析结果 %

3 剩余寿命预测

为了掌握服役后的P9钢管的剩余寿命，本文采用目前最常用的时间-温度参数外推法L-M参数法[7-11]，预测P9钢管的剩余寿命情况。

时间-温度参数法L-M公式为：

Pc(σ)=T·10-3(C+lgt)

(1)

式中Pc(σ)——热强参数，也称L-M参数；

T——以热力学温度表示的试验温度，K；

C——材料常数；

t——断裂时间，h。

根据API 530，P9钢管材料常数C=20，可计算出L-M热强参数Pc。

从P9钢管上取30件持久试样，进行不同温度、不同应力的高温持久性能试验。试验条件选取5个温度、13个应力水平，其结果如表7所示。

表7 高温持久试验结果

由式(1)计算，得到Pc-σ的关系曲线如图6所示。

图6 L-M参数法表示的应力与断裂时间关系

4 结论

(1)服役7年2个月后的P9钢管,其材料理化性能未发生显著变化，仍满足ASTM A335对P9材质的要求。

(2)该四合一炉用国产P9钢管在管壁最高温度650 ℃、最高工作压力0.5 MPa条件下，服役的钢管母材预期剩余寿命约5年，截至2019年11月，在该服役条件下运行平稳。