陳濤1,2,3 陳學東1,2,3

1.合肥通用機械研究院有限公司·國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心；2.中國石化爐管質量檢測檢驗與評估中心； 3.合肥通用機械研究院特種設備檢驗站有限公司

 

摘要：乙烯裂解爐和制氫轉化爐是制取乙烯、丙烯和氫氣等基礎化工原料的核心設備，離心鑄造耐熱合金爐管是其關鍵部件。近年來，伴隨生產規模擴大，裝置不斷大型化，加之介質劣化，使得爐管服役條件更為苛刻。簡要介紹了國產離心鑄造耐熱合金爐管基于材料基因組的成分和組織調控技術、關鍵制備技術、在役爐管檢測技術等方面的研究進展，并結合在線遠程運維技術，提出了今后離心鑄造爐管研究建議。

關鍵詞：乙烯裂解爐；制氫轉化爐；爐管；離心鑄造；成分調控；組織調控；爐管檢測

 

乙烯裂解爐和制氫轉化爐是石油化工、煤化工裝置的核心設備，離心鑄造耐熱合金爐管是其核心部件，主要材質為25Cr35NiNb+微合金和35Cr45NiNb+微合金[1-4]。以往國產爐管壽命短、可靠性差，失效時有發生[5,6]。近年來石化行業裝置不斷大型化，且介質漸趨劣化，對爐管壽命與可靠性提出了更高要求[7,8]，如何提高爐管壽命成為制約裝置長周期安全穩定運行的瓶頸難題。

2011年2月，中石化在合肥通用機械研究院成立“中國石化爐管質量檢測檢驗與評估中心（簡稱爐管中心）”，主要承擔新制爐管質量控制、研發及在役爐管安全保障等工作。其相關研究成果已在中石化、中石油、中海油、陜西延長等所屬企業及印度等“一帶一路”沿線國家廣泛應用，顯著提高了爐管性能。針對在役爐管安全保障，開展在役爐管損傷程度檢測技術研究，為爐管更換提供科學依據。

本文簡要介紹了國產離心鑄造耐熱合金爐管基于材料基因組的成分和組織調控技術、關鍵制備技術、在役爐管滲碳和蠕變檢測技術等方面研究進展，并結合在線遠程運維技術，提出了今后國產離心鑄造耐熱合金爐管研究建議。

1 國產爐管質量差距原因

盡管上世紀末我國離心鑄造耐熱合金爐管基于日本和法國技術實現國產化，但核心技術尚未掌握，爐管質量及穩定性方面與國外相差甚遠。主要原因在于耐熱合金爐管材料成分和組織設計等研究尚不充分。

1.1 未進行有效的雜質元素控制

雜質元素是影響材料高溫性能的主要因素之一， ASTM A608要求雜質元素S≤0.045wt%[9]， HG/T 2601―2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》和SH/T 3423―2011《石油化工管式爐用鑄造高合金爐管及管件技術條件》中要求雜質元素S≤0.03 wt%、Pb≤100 mg/kg （ppm）[9-11]；國內外設計單位技術條件中對雜質元素的要求比較寬松，如S≤0.03 wt%、Pb≤100 mg/kg （ppm）等，而且設計標準和技術條件對雜質元素的控制指標缺乏科學依據。此外，國內爐管制造廠對原材料的控制不夠重視，致使有些冶煉爐管材料中雜質元素的含量較高。

1.2 未形成微合金化添加原則

微合金化元素能夠提高爐管的抗蠕變性能和抗滲碳性能，然而國內對微合金化元素的添加缺乏技術支持，鈦鋯等微合金化元素對耐熱合金材料性能的作用機制尚不明確，添加工藝僅模仿國外，微合金化元素的添加技術、燒損量、爐管實物中含量尚未精確掌握。

1.3 對金相組織的認識模糊

HG/T 2601―2011 《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》、 SH/T 3423―2011―T 《石油化工管式爐用鑄造高合金爐管及管件技術條件》對晶粒度、晶型等金相的要求不明確，國內外研究對耐熱合金爐管材料組織與壽命關系的認識也并不統一，且有些說法相互矛盾。

2 離心鑄造爐管基于材料基因組的設計制備技術

通過2010年以來開展的新制爐管抽樣檢測工作，建立了爐管成分、組織和性能統計數據庫，揭示了成分、組織對性能的影響規律，在此基礎上，進一步通過成分、組織優化設計有效提升爐管材料抗高溫蠕變性能，形成爐管基于材料基因組的成分、組織調控技術和關鍵制備技術，提升國產爐管質量。

2.1 新制爐管抽樣復檢

爐管中心成立以來，已經累計為中石化、中石油、中海油、陜西延長石油等所屬的20余家企業提供新制爐管抽樣檢測服務，抽樣對象包括青島新力通、卓然靖江、煙臺瑪努爾等10余家爐管制造企業[12]。累計抽樣1 500余件，檢測不合格樣共計127件，共向爐管制造企業出具整改通知單58份，降低不合格爐管進入石化企業的風險，為爐管長周期安全運行提供技術支持。

抽樣檢測項目主要包含化學成分、室溫拉伸、高溫持久以及金相低倍酸蝕等試驗，形成爐管成分、組織和性能統計數據庫。抽樣檢測結果表明，新制造爐管質量明顯改善：如雜質元素含量降低，持久斷裂時間提高，不合格率降低等，如圖 1—3所示。

2.2 離心鑄造爐管成分調控技術

通過定量添加試驗探究雜質元素和微合金化元素含量對性能的影響規律，形成爐管材料基于壽命的成分調控技術，提出爐管及焊絲材料雜質元素成分及微合金化元素成分控制指標。

2.2.1 雜質元素控制

通過系統試驗，探明了S、 Pb、 Bi等雜質元素對爐管高溫蠕變性能的影響規律，對爐管母材中S、Pb、 Bi等提出了更精確的控制指標： S≤0.015 wt%，Pb≤20 mg/kg（ppm）， Bi≤1 mg/kg（ppm）[13-16]，對爐管焊絲成分也提出一定的控制要求： P≤0.010 wt%、S≤0.010 wt%、 Pb≤20 mg/kg（ppm）[17,18]。揭示了雜質元素作用機理： S、 Pb、 Bi在晶界偏聚，降低爐管的高溫蠕變性能；雜質元素S偏聚到晶界形成（Cr，Mn） S，成為蠕變空洞有效形核位置； Bi和Pb元素以單質的形式在晶界偏聚，降低晶界表面能，促進蠕變空洞形核[19-21]，如圖 4、圖 5所示。

2.2.2 微合金化元素控制

                        

微合金化元素的添加顯著影響爐管的抗蠕變性能，針對國內外對Ti、 Zr元素的添加尚無精確 的控制范圍，通過系統性試驗，揭示了Ti、 Zr元素含量與爐管持久斷裂時間的關系，如圖 6、圖 7所示，提出了較為精確的Ti、 Zr元素控制指標，Ti： 0.03～0.15 wt%， Zr： 0.01～0.1 wt%， Ti+Zr：0.06～0.18 wt% 。如圖 8所示， Ti、 Zr的作用機理類似，即含Ti量較高的爐管材料在高溫過程中，（Nb，Ti） C的形成有利于延緩NbC向G相的轉變[22]； Zr元素以ZrC或（Nb, Zr） C形式存在，在晶界起到了強化晶界的作用。同時闡明了爐管焊接接頭中Ti和W元素強化機理，首次提出焊絲中Ti和W元素控制指標， Ti：0.05～0.15 wt%， W： 0.3～1.0 wt%[17,18]。

2.3 離心鑄造爐管組織調控技術

對制備出的不同組織狀態爐管進行系列高溫性能試驗，探明柱狀晶比例、晶粒度等級、初生碳化物析出形態與爐管高溫蠕變性能的關聯規律，建立爐管材料基于壽命的組織調控技術。

2.3.1 晶型比例

                

針對標準或技術協議中爐管宏觀晶型要求不統一的問題，研究了柱狀晶比例與高溫蠕變性能之間的關系，提出晶型比例控制指標為柱狀晶比例≥70%。典型爐管宏觀晶型如圖 9所示。圖 10給出不同柱狀晶比例試樣的高溫持久斷裂時間，隨著柱狀晶比例的減少，高溫持久斷裂時間降低，建議爐管柱狀晶比例不得低于70%[23,24]。

2.3.2 晶粒度

鑒于爐管材料相關標準及技術協議中尚未對爐管奧氏體晶粒度提出控制指標，研究了爐管奧氏體晶粒度與高溫蠕變性能的關系，提出爐管奧氏體晶粒度控制指標： 5.0～6.0級。如圖 11所示，晶粒度在5.0～6.0級，能夠滿足試驗溫度1 100 ℃、試驗應力17 MPa條件下持久斷裂時間不低于120 h的要求[23,24]。

2.3.3 初生碳化物形態

根據金相試驗觀察結果，按照晶界碳化物條的數量、長度、條間距、碳化物之間角度等，對爐管初生碳化物進行半定量描述，分為第一類和第二類初生碳 化物[25]，第一類初生碳化物組織為晶界骨架狀、細條狀Cr碳化物+短棒狀、顆粒狀NbC，第二類初生碳化物組織為晶界團簇狀、細顆粒狀、點劃線狀Cr碳化物+團簇狀NbC（或者G相）。具有第一類初生碳化物的爐管試樣高溫持久斷裂時間顯著高于具有第二類初生碳化物的爐管試樣，如圖 12所示。因此將爐管原始鑄態組織中初生碳化物控制為第一類。

2.4 離心鑄造爐管關鍵制備技術

爐管的成分、組織主要取決于熔煉、鑄造成型等工藝，開展熔煉過程控制工藝和鑄造成型工藝研究，形成長壽命高可靠性爐管制備關鍵技術。

            

針對熔煉過程中Ti燒損嚴重的問題，開發了鈦粉添加工藝。如圖 13所示，通過鈦粉添加工藝Ti的燒損率小于海綿鈦，并能有效保證鈦的溶解，避免夾渣的出現[26]。圖 14給出了離心鑄造關鍵工藝參數與爐管晶型比例之間的關系，得到優化的成型工藝控制指標：澆鑄溫度控制在1 565～1 580 ℃，型筒最高轉速控制在2 600～3 000 r/min，型筒振幅＜0.6 mm。

3 在役爐管檢測技術

通過千余批次在役爐管性能檢測，基于磁場強度原理，在國內首次建立了爐管滲碳程度檢測和蠕變裂紋檢測技術方法，為在役爐管的性能檢測提供了有效技術手段。

3.1 在役爐管滲碳損傷檢測技術

通過自主研發的滲碳檢測儀開展不同服役年限、不同滲碳程度的爐管滲碳層厚度檢測，結合試驗室理化分析，研究滲碳層厚度與磁場強度變化的關聯關系，建立爐管滲碳程度判定標準曲線，提出在役乙烯裂解爐管滲碳檢測技術方法。

圖 15給出滲碳檢測結果與爐管滲碳層厚度之間的關系。由圖可見：滲碳檢測值隨著滲碳層厚度增大而增大，表現出良好的對應關系[27]。

3.2 在役爐管蠕變損傷檢測技術

通過磁記憶檢測儀開展不同服役年限、不同蠕變損傷程度的爐管檢測，結合試驗室理化分析，研究蠕變損傷程度與磁場強度變化的關聯關系，形成一套基于磁場強度的在役乙烯裂解爐管蠕變裂紋檢測技術方法[28]。圖 16為沿軸向檢測時爐管標記處的磁信號變化。可以看出，該部位H p(y)變化明顯，△H p約為250 A/m，該部位K 較高，最大值達12.8 A/m·mm﹣1。將磁記憶信號異常部位解剖進行金相檢測，如圖 17所示，可以看出這些裂紋均沿晶界擴展。左側起第1組由兩條從外壁向內壁擴展的裂紋組成，最深為3.82 mm。裂紋寬度最大達0.1 mm，肉眼可見。第2組則由多條從內壁向外壁擴展的裂紋組成，最深達4 mm，裂紋區域寬3.47 mm[29]。

4 工作展望

針對離心鑄造爐管，今后將繼續完善基于相圖計算方法的合金相形成與演變預測準則，并利用析出相高溫粗化模型，實現對高溫服役條件下合金相預測及控制；完善基于凝固組織模擬的離心鑄造工藝設計準則，實現爐管材料鑄造工藝參數優化與凝固組織控制；完善基于機器學習方法的爐管高溫服役性能預測準則，并通過優化算法實現對爐管材料組織、工藝及成分的反向按需設計。另一方面深入開展高精度測溫方法與技術、監測數據深度分析方法、損傷特征參量表征方法研究，集成燃燒可視化與爐管溫度場監測、結焦/燒焦分析、爐管損傷評估與可靠性分析、專家系統診斷等技術，研發乙烯裝置裂解爐和制氫裝置轉化爐爐管安全監測與管理系統，實現對乙烯裝置裂解爐和制氫裝置轉化爐爐管的健康監測、安全評價和智能預警，確保設備長周期穩定運行。

致謝：本項研究工作得到了國家重點研發計劃（No. 2017YFF0210402)和安徽省杰出青年科學基金（No. 1708085J05)的支持。

 

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作者：陳濤， 1976年生，教授級高級工程師，主要從事耐熱合金爐管相關研究工作。陳學東， 1964年生，研究員，中國工程院院士，主要從事承壓設備安全保障工作。