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Cr5Mo、Cr9Mo爐管設計探討

作者:AM8亚美来源:[AM8亚美公司]访问:165时间:2019-11-12

  中國鋼管信息港多出鮮活生動的報道: Cr5Mo、Cr9Mo鋼具有回火脆性,為保證爐管的長周期安全運行 ,設計職員應根據使用環境選擇合適的牌號,並在設計文件中對爐管提出一係列補充技術要求。補充技術要求包括對爐管的化學成分作出限製;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製;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,焊接後立即進行熱處理,並檢測接頭硬度值是否在許可範圍內。
  
  1 引言
  
  Cr5Mo、Cr9Mo爐管具有較高的耐高溫強度極限和蠕變極限,同時具有優良的抗氧化性、抗硫能力和抗氫腐蝕特性 ,與奧氏體不鏽鋼等材料相比價格便宜,故在常減壓、焦化、加氫和重整等裝配的加熱爐上得到廣泛利用。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縱條件下長期運行後,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,應引發業內的重視和警惕。
  
  為保障爐管的長周期安全運行,設計職員在設計使用Cr5Mo、Cr9Mo合金耐熱鋼爐管時,應選擇合適的牌號,並對爐管化學成分、力學性能、硬度、檢查、試驗、缺陷處理 、焊接和焊後熱處理提出一係列補充技術要求。本文首要從設計角度對Cr5Mo、Cr9Mo爐管相關題目進行探討。
  
  2 Cr5Mo、Cr9Mo爐管設計的相關題目
  
  2.1 材料選擇
  
  爐管及其連接件的材料選擇首要考慮三方麵的身分: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。
  
  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
  
  ℃
  
  ASTMGB 9948
  
  Cr5Mo
  
  T5、P5 12Cr5MoI、12Cr5MoNT 600650820
  
  650
  
  Cr9MoT9、P912Cr9MoI、12Cr9MoNT650705825705
  
  需要重視的是,國內焦化爐爐管材料多為Cr5Mo(A335 P5),但由於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℃ ,是以采用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縱 。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。是以新設計的雙麵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)小於0.5%,溫度低於400℃時可選用碳鋼;硫的質量分數大於0.5%,溫度高於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於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 履行標準及材料牌號
  
  中國鋼管信息港多出鮮活生動的報道:前些年 ,一般煉油裝配管式加熱爐所用的爐管,僅碳鋼爐管是國產的,鉻鉬鋼和不鏽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製造技術的進步,爐管的國產化率愈來愈高,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爐管履行的國內標準為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,根據鋼管的熱處理製度不同,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,後綴符號I表示鋼管交貨狀況為完全退火或等溫退火,後綴符號NT表示鋼管交貨狀況為正火加回火。
  
  2.3 爐管回火脆性
  
  Cr5Mo、Cr9Mo爐管回火脆性分為兩類,第一類是在製造安裝過程中,由爐管回火處理或焊後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範圍內使用而發生的脆化。鉻鉬鋼出現回火脆性的溫度範圍為370~600℃,溫度越高脆化速度越快 。
  
  鉻鉬鋼回火脆性發生的機理,比較首要的晶界偏聚機製:鉻鉬鋼在一定溫度回火、回火後冷卻或長期在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 ,當材料經受衝擊或拉伸時,晶麵能已下降的晶界處很輕易首先開裂。降低材料回火脆化敏感性的根本方法是控製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係數X和鋼材的回火脆化敏感性係數J加以控製:
  
  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
  
  標準規範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、爐管焊接和焊後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。
  
  Cr5Mo、Cr9Mo爐管的化學成分 (wt%)
  
  元素CMnPSSiCrMoCu
  
  12Cr5MoNT0.09~0.140.3~0.5 ≤0.015≤0.008 0.20~0.404.0~6.00.45~0.60≤0.1
  
  12Cr9MoNT0.09~0.140.3~0.5≤0.015≤0.0050.35~0.558.5~10.00.92~1.1≤0.1
  
  製造廠應對爐管進行成品分析,並提供分析報告。
  
  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範的規定外,拉伸性能應符合表3的要求。
  
  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。正火加回火熱處理後的材料抗拉強度、下屈服強度等指標要優於退火熱處理後的材料指標,故煉油裝配管式加熱爐所用的Cr5Mo、Cr9Mo爐管,交貨狀況應為正火加回火。熱處理的加熱溫度、保溫時間和冷卻方式等應載進質量證實文件中。
  
  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活動的影響而消失 , 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爐管硬度值作出限製,以降低爐管材料脆性,進步韌性。
  
  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於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於179HBW,12Cr9MoNT材料的爐管硬度不大於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,對比樣管外表麵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於2.2mm;應逐根進行水壓試驗。
  
  2.4.6 缺陷處理
  
  爐管內外表麵不得有裂紋、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,僅許可通過打磨消除,且打磨後的壁厚不得小於最小壁厚。
  
  2.4.7 爐管焊接
  
  Cr5Mo、Cr9Mo爐管焊接履行標準為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 焊後熱處理
  
  爐管及管件焊接後,應立即對焊接接頭進行焊後熱處理,以細化晶粒、均勻組織、消除焊接殘餘應力,降低硬度、進步接頭的綜協力學性能。焊後熱處理參數可根據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。
  
  焊後熱處理的效果首要通過測定硬度值進行檢驗。熱處理後,應對焊縫、熱影響區及其四周母材分別抽檢表麵布氏硬度 ,抽檢數目不少於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於241HBW,否則應從頭進行熱處理並做硬度檢測。
  
  3 結語
  
  在設計階段 ,設計職員應根據使用環境選擇合適的Cr5Mo、Cr9Mo爐管材料及牌號,並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、爐管焊接和焊後熱處理提出一係列補充技術要求 。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條件。中國鋼管信息港多出鮮活生動的報道
  
  

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