间二甲苯装置异构加热炉炉管剩余寿命计算
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摘要：某石化公司化工厂异构加热炉L-101为间二甲苯装置设备，迄今使用超过36年。为科学评价炉管剩余寿命，本文进行了炉管损伤机理分析，并通过在线红外热成像、依据API581确定了计算腐蚀速率。按照设计标准分别对对流段炉管和辐射段炉管进行了强度校核、蠕变强度校核和热应力校核，综合分析得到了炉管的剩余寿命。
Abstract： L-101， a heterogeneous heating furnace in a chemical plant of Petrochemical Industries Co， has used for more than 36 years. In order to scientifically evaluate the remaining life of furnace tube， the damage mechanism of the furnace tube was analyzed， and the corrosion rate was calculated by online infrared thermal imaging and API581. According to the design standard， the strength check， the creep strength check and the thermal stress check of the convection section tube and the radiant section furnace tube are carried out， and the residual life of the furnace tube is obtained by the comprehensive analysis.
Key words： heterogeneous heating furnace；furnace tube；damage mechanism；creep；remaining life
中图分类号：TE963 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）31-0226-04
1 简介
某石化公司化工厂异构加热炉L-101为间二甲苯装置设备，该加热炉于1980年7月份投用，至今使用36年。该炉对流段主要用来预热抽余液塔底物料，辐射段主要用于加热异构反应器进料包括间二甲苯、乙苯、氢气等，L-101炉原始设计数据见表1。为评价炉管在长时间使用后能否继续安全运行以及预期剩余寿命对该台加热炉进行校核计算。
2 L-101操作工况及工艺
L-101炉为间二甲苯装置设备单元，其对流段工艺作用是预热抽余液塔塔釜液，流体返回抽余液塔再沸炉进行进一步加热后回到抽余液塔，提供抽余液塔馏分分割所需热量。L-101辐射段主要作用是加热异构反应原料，介质为新鲜氢气、脱氢塔底物料、脱重塔底物料的混合物料。2010年12月1日循环氢中氢气体积百分含量取样分析结果分别是80.04%、80.98%、79.17%、79.84%，入口补充氢中氢气体积百分含量为94.46%。取改造以前任一时间点数据2009年7月1日的循环氢中氢气百分含量分别为84.61%、89.92%、89.95%、90.04%、原料氢气中氢气体积百分含量为94.65%。2010年1月24日取对流段和辐射段进料进行硫含量分析，对流段和辐射段进料硫含量均小于5PPM。
L-101对流段有箱盖封闭，不能直接测量炉管表面金属温度，L-101炉运行稳定后的对流段排烟温度和对流段物料出口温度见表2。辐射段设有三个看火孔，分别设在东南面、东北面、西面如图1。于2011年1月24日用红外热像仪拍摄三个观火孔对面炉管热像图，采用FILR公司的ThermaCAM QuickReport分析热像图得出炉管的最高和最低温度见表3。
3 炉管损伤机理
3.1 腐蚀减薄
经测量，辐射段和对流段S含量均小于5PPM，其主要腐蚀机理为高温H2S/H2腐蚀，按照B=A*10-4/32/（1/106）（其中A为S含量，B为H2S含量，106为二甲苯分子量），计算得H2S含量小于0.001656mol%。按API581高温H2S/H2腐蚀，取对流段预测腐蚀速率为0.1mm/y，辐射段预测腐蚀速率0.36mm/y（表4）。辐射段只对弯头进行过测厚，取2007年4月和2009年11月（见图2）两次测厚数据进行实测腐蚀速率的推算。两次测量重叠的弯头共四个，由于同一个弯头两次测厚部位不一致，计算腐蚀速率时分别采用第一次实测壁厚的最大值和第二次实测壁厚的最大值为一组、第一次实测壁厚的最小值和第二次实测壁厚的最小值为一组，计算公式如公式（1）。据此推算出的四个弯头的腐蚀速率（见表5）。考虑到测量误差等因素，实测腐蚀速率取所有实测推算腐蚀速率的平均值。
v实测=（2007年4月测量壁厚-2009年11月测量壁厚）/（两次测量时间间隔）（1）
3.2 高温氧化
碳钢在482℃以上发生高温氧化，合金钢开始发生高温氧化的温度更高一些，根据API581，对流段外表面不发生高温氧化，辐射段高温氧化速率为0.03mm/y。
综合考虑，偏保守取计算腐蚀速率等于内部腐蚀预测腐蚀速率加上外部高温氧化腐蚀速率为0.39mm/y。
3.3 高温氢损伤
辐射段处在临氢环境，有可能发生高温氢损伤。按保守处理，最高操作压力取设计压力2.47MPa，氢分压按氢气百分含量为新鲜氢气中氢百分含量（94.65%）计算。
3.4 蠕变/应力断裂
碳钢的蠕变温度下限为370℃，Cr5Mo的蠕变温度下限为425℃。对流段炉管管壁温度在蠕变温度下限以下，不会发生蠕变损伤。辐射段炉管管壁温度在蠕变温度下限以上，存在发生蠕变断裂损伤机理。发生蠕变损伤的材料，在进行校核计算时，根据温度值确定是否采用蠕变-断裂设计进行校核。根据《SH/T 3037-2002炼油厂加热炉炉管壁厚计算》，碳钢进行蠕变-断裂设计计算的温度下限为425℃，Cr5Mo进行蠕变-断裂设计计算的温度下限为475℃，对流段炉管温度为369℃，辐射段炉管温度为545.3℃，综合以上分析，对流段应采用弹性设计公式进行校核计算，辐射段采用蠕变-断裂设计公式进行校核计算。
3.5 辐射段炉管球化损伤
所有等级的碳钢和低合金钢，包括C-0.5Mo、1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo、2.25Cr-1Mo、3Cr1Mo、5Cr-0.5Mo和9Cr-1Mo都可能发生球化损伤。温度在552℃时，球化会在数小时内发生；温度为454℃时，则需要数年才会发生球化。对流段温度低于454℃，不会发生球化，辐射段温度高于454℃，可能发生球化损伤。
4 强度校核
4.1 L-101炉对流段校核计算
4.1.1 弹性校核计算
4.2 L-101炉辐射段校核计算
4.2.1 蠕变-断裂校核
按保守处理，L-101炉管辐射段炉操作压力1.53MPa，金属最高壁温为545.3℃。按每年使用8000小时计算，炉管迄今已使用246000小时（见表6）。蠕变-断裂设计计算时要使用的拉森-米勒尔曲线是根据100000小时断裂强度推导出来的。因此，这些曲线不适用于估算设计寿命小于20000h或大于200000小时的断裂强度，L-101辐射段炉管迄今使用时间已超过200000h（见表7），因此评价标准《SH/T3037-2002炼油厂加热炉炉管壁厚计算》不适用于计算L-101炉辐射段炉管剩余寿命。但为了了解当前炉管状态，假设《SH/T 3037-2002炼油厂加热炉炉管壁厚计算》附录E中的拉森-米勒尔曲线适用情况下对辐射段炉管剩余寿命进行计算（见表8）。
按保守处理，预期的操作条件：取末期操作压力1.53MPa，管壁最高金属温度545.3℃。在计算中，设定从炉管投用到2009年10月最后一次检验为第一个操作周期，腐蚀速率取实测腐蚀速率0.19mm/y；2009年10月至今（2011年4月）为第二操作周期，腐蚀速率取预测最大腐蚀速率0.39mm/y；此条件下计算L-101炉辐射段炉管剩余使用寿命。计算未来剩余寿命分数时，腐蚀速率取预测最大腐蚀速率0.39mm/y，以1年为1个周期。
由于最高热应力小于这些限制值，所以热应力校核通过。
5 综合分析结论
综合以上各种分析结果，现有操作条件下：即L-101炉对流段操作压力1.47MPa、最高操作温度不大于268℃，硫含量在5PPM以下；辐射段操作压力低于1.53MPa、最高操作温度不大于381℃，硫含量低于5PPM，L-101对流段可安全运行到厂方计划下次大检修时间点即2017年4月，但同时应注意：必须保证对流段操作压力、操作温度的平稳，特别要严格控制操作温度的波动，严禁超温运行，工艺允许条件下建议取温度低限值运行。辐射段由于管壁部分位置温度较高，最高达到545.3℃，超过Cr5Mo钢的蠕变-断裂温度下限，应采用蠕变-断裂设计方法进行校核计算。由于炉管使用时间超过200000小时，标准《SH/T 3037-2002炼油厂加热炉炉管壁厚计算》中所附拉森-米勒尔曲线已不适用。但为了解炉管的当前状态，仍参考标准《SH/T 3037-2002炼油厂加热炉炉管壁厚计算》进行了校核计算，计算剩余寿命为3年。建议停炉后对典型高温高应力部位炉管、焊缝、弯管进行厚度测量、硬度测量、金相检查，对球化、孔洞、蠕变损伤程度等进行评价。如有条件、有时间应安排取样进行持久试验工作，以确定辐射段炉管经长时间使用后的蠕变损伤程度及持久性能，则可以比较有把握的进行剩余寿命评价工作。
参考文献：
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