炉管剩余寿命预测

剩余寿命预测

1 高温炉管剩余寿命预测的基本原则和方法

1.1 高温炉管寿命预测的基本原则

炉管检测后的最终质量通常用A、B、C三个级别进行评价。即“A”级管有较轻度或没有蠕变裂纹，这种炉管继续使用没有问题；“B”级管有一定程度的蠕变裂纹，但可以继续使用，同时应加强监视；“C”级管的蠕变深度及面积已达到极限。这类炉管不能继续使用，必须更换。要预测炉管的残余寿命，实际上就是预测“B”级管的使用年限，因为对大多数高温炉管来说，“C”级管是必须更换的。

目前，炉管的检测通常釆用专业炉管检测装置进行。虽然炉管检测装置具有它的可靠性、稳定性和准确性，但它只有一个单一的蠕变裂纹深度指标，如果要估算炉管的残余寿命必须要综合考虑，不能绝对地靠检测到“A、B”级来对炉管残余寿命下定义,因为化学成分和原始组织决定材料的原始强度，而运行时间、温度及应力的变化决定材料受蠕变损伤的程度。

根据国内外对高温炉管的研究结果，本文在对扬子石化公司芳烃厂BA1051制氢转化炉炉管进行评定时，按照如下的基本原则预测炉管的寿命。首先确定导致炉管损伤的主要原因，然后根据炉管的损伤状态，选择相应的预测方法。在对预测结果进行修正时同时兼顾其它因素的影响，在最终得到的使用寿命中应包含一定的安全余度，以适应炉管工作条件的变化。

1.2 高温炉管寿命预测的方法

为了最经济地利用炉管，剩余寿命评价技术必须准确，同时工程上又要求其实施必须简便。近年来国内外对高温炉管剩余寿命评价技术的研究投入了大量的人力和物力，提出了多种预测炉管剩余寿命的方法，归纳起来可大致可分为间接法和直接法两类。直接法即非破坏检查和破坏检查两类剩余寿命诊断技术，间接法即理论解析法。解析法和破坏检查所需时间较长，而非破坏检查可在较短时间，对较多部位进行诊断，且能定期监测。所以采用非破坏检查的方法预测炉管剩余寿命更为实用。

目前非破坏性检查的剩余寿命诊断技术主要有：

（1）金属组织变化测定法，炉管长期在高温、应力和环境共同作用下服役，材料的微观组织会发生变化，如碳化物的析出、蠕变空洞的增殖等等。金属组织变化测定法就是通过测定组织的变化来评价炉管的剩余寿命。这种方法需要事先搞清楚金属组织变化与寿命之间的定量关系。目前比较成熟的法有A参数法、晶粒变形法、微结构法、另外还有空洞面积率法。A参数法是英国(ERA、CEGB)、美国(EPRI)于1983年提出的方法，其主要思路是沿主应力方向引一参考线，A参数就是参考线横切晶界总数与存在空洞晶界数的比值。预先求得各种材料的A参数与蠕变寿命比，通过复制试样法测定A参数，进行评价剩余寿命。实验验证表明：A参数能较好地定量损伤状态。空洞面积率是空洞所占面积与全观察面积的比值，它比较容易计量且与寿命的相关性好。应用该方法应注意要把蠕变空洞与碳化物或夹杂物脱落所造成的空洞区别开来，以免误判。A参数法和空洞面积率法还有两个问题需解决：

a.有裂纹时，如何来测A参数和空洞面积率，虽然测定方法较多，但不同的方法得到的值不同；

b.空洞分布不均匀性的计算及其影响。有些材料往往寿命后期才出现空洞，此时用A参

数法和空洞面积率法难于定量早期的损伤，而用晶粒变形法较为合适。晶粒在材料劣化过程中，总体角度要发生转动，通过统计转角频率分布，可以得到一个方差，此方差可用作为变形指数来定量寿命损耗。结构分类方法主要依据材料的组织变化，析出物的变化以及物理损伤来综合定量寿命损耗。随着计算机图像技术的发展，这些方法已经很容易实现。

(1)硬度变化测定法，硬度测定法是计量由于组织变化而引起变形抵抗能力(软化现象）的方法。硬度测定法能够掌握蠕变损伤的全过程，但由于数据带定及初期硬度的影响，需要对硬度进行定期监测，并对数据进行修正，以提高数据测定的精度。硬度测定法是测量部件的表面硬度，评价剩余寿命前要先建立对象材料其硬度变化与蠕变断裂寿命、温度一时间等所必要的相关数据。该方法简单易行，用处较大。

(3)超声波测定法，材料在负荷状态和高温下长期使用会受到蠕变损伤，在材料内部产生细微的缺陷(间隙、裂纹），发生物性变化(软化），致使超声波特性发生变化。利用此变化，找出材料损伤与各种超声波特性变化的相关性来评价设备材料的剩余寿命。目前工厂中广泛应用的是衰减法，材料受到蠕变损伤时产生的微小缺陷使超声波发生散射，从而使超声波能量衰减。应用此法评定时要考虑超声波透射能量大小还与晶粒形状以及晶粒大小相关。此法缺点是灵敏度不高，小于2mm的裂纹检查不出来，另外只能定性评价。

破坏性检测的剩余寿命评价技术主要有：

(1)加速蠕变试验法，加速蠕变试验法是预测高温构件剩余寿命的最常用的方法之一，该法通过测定使用过材料的短期蠕变断裂强度，然后依据应力(温度)外推方法得到材料在服役条件下的寿命。目前使用的外推法有多种，研究表明，提高试验温度比提髙应力预测结果更加准确。该方法也存少局限性：

a.该方法的时间周期长，得到一批完整的蠕变持久数据，试验需要几个月甚至更长的时间，限制了在工程上的应用；

b.该方法所应用的加速试验方法，由于试验温度与应力的提高，材料的蠕变变形机制可能与原工况条件机制不相同，一般认为在等应力条件下，适当提高试验温度，外推得到的剩余寿命较接近于实际工况下的剩余寿命。

c.单轴的蠕变试验数据能否代表处于多轴应力状态的实际受力情况，还有待进步研究。

（2）蠕变裂纹扩展试验法，该法认为炉管的断裂过程实质上是一个蠕变裂纹扩展的过程。通过对场参量的选择，用场参量关联蠕变裂纹试验数据，再将结果用于评价材料的剩余寿命。该法应用的主要困难是结构难以确定；多裂纹问题处理方法复杂，特别是工程构件中有的拫本不存在裂纹。

（3）材料密度法，高温构件长期工作后，内部会发生蠕变损伤，材料中产生空洞与微裂纹，这将使构件的密度下降，因此测定密度变化可获得材料蠕变损伤程度，从而评价构件的剩余寿命。应用本方法时应注意金属组织变化（碳化物析出等）也可出现密度变化，另外有些材料到寿命末期时也不会产生空洞。只有将上述情况考虑进去才能得到正确评价。

（4）小试样蠕变试验法，破坏性试验的采样以尽可能不损坏原设备为前提，小试样蠕变试验法正是应这种要求而提出的。试样的直径可小至2mm，试验时采用惰性气体保护以防止表面氧化。小试样试验法所存在的问题：

a.小试样取样时，如何保证几乎不受加工热变形的影响；

b.如何搞清小试样所做的机械试验结果与正常试样结果之间的相关性。