Cr5Mo、Cr9Mo爐管設(shè)計探討

                        作者:吳振松

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061）

[摘 要] Cr5Mo、Cr9Mo鋼具有回火脆性，為保證爐管的長周期安全運行，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境選擇合適的牌號，并在設(shè)計文件中對爐管提出一系列補(bǔ)充技術(shù)要求。補(bǔ)充技術(shù)要求包括對爐管的化學(xué)成分作出限制；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制；逐根進(jìn)行超聲波檢驗、渦流探傷檢查和水壓試驗；焊接前進(jìn)行預(yù)熱，焊接后立即進(jìn)行熱處理，并檢測接頭硬度值是否在允許范圍內(nèi)。

1 引言

Cr5Mo、Cr9Mo爐管具有較高的耐高溫強(qiáng)度極限和蠕變極限，同時擁有優(yōu)異的抗氧化性、抗硫能力和抗氫腐蝕特性，與奧氏體不銹鋼等材料相比價格便宜，故在常減壓、焦化、加氫和重整等裝置的加熱爐上得到廣泛應(yīng)用。但鉻鉬鋼材料脆硬傾向大，易產(chǎn)生裂紋，在腐蝕性介質(zhì)和高溫的操作條件下長期運行后，可能發(fā)生脆硬而失穩(wěn)。國內(nèi)外發(fā)生過多起Cr5Mo、Cr9Mo爐管破裂著火事故，應(yīng)引起業(yè)內(nèi)的重視和警惕。

為保障爐管的長周期安全運行，設(shè)計人員在設(shè)計使用Cr5Mo、Cr9Mo合金耐熱鋼爐管時，應(yīng)選擇合適的牌號，并對爐管化學(xué)成分、力學(xué)性能、硬度、檢查、試驗、缺陷處理、焊接和焊后熱處理提出一系列補(bǔ)充技術(shù)要求。本文主要從設(shè)計角度對Cr5Mo、Cr9Mo爐管相關(guān)問題進(jìn)行探討。

2 Cr5Mo、Cr9Mo爐管設(shè)計的相關(guān)問題

2.1 材料選擇

爐管及其連接件的材料選擇主要考慮三方面的因素：管材的最高使用溫度、管材的高溫強(qiáng)度和管內(nèi)外介質(zhì)的腐蝕。Cr5Mo、Cr9Mo爐管使用溫度見表1。 

表1 Cr5Mo、Cr9Mo爐管金屬的使用溫度

需要注意的是，國內(nèi)焦化爐爐管材料多為Cr5Mo(A335 P5)，但由于輻射爐管的金屬壁溫可達(dá)到560℃（開工初期）~650℃（開工末期），而Cr5Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度為600℃，因此采用Cr5Mo材質(zhì)爐管的焦化爐多存在高溫區(qū)爐管嚴(yán)重氧化爆皮的現(xiàn)象，均須定期更換，從而影響了焦化爐的長周期操作。國外延遲焦化爐爐管多采用Cr9Mo材質(zhì)，Cr9Mo材質(zhì)爐管的最高使用溫度可達(dá)650℃，極限設(shè)計金屬溫度為705℃，可有效避免氧化爆皮現(xiàn)象發(fā)生。因此新設(shè)計的雙面輻射焦化爐爐管宜采用Cr9Mo材質(zhì)。

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(zhì)量分?jǐn)?shù)）小于0.5%，溫度低于400℃時可選用碳鋼；硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.5%，溫度高于400℃時，應(yīng)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(zhì)內(nèi)硫化氫的體積分?jǐn)?shù)大于0.1%時，已不宜再用鉻鉬鋼，而應(yīng)采用經(jīng)固溶和穩(wěn)定化處理的TP321或TP347爐管。

2.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及材料牌號

前些年，一般煉油裝置管式加熱爐所用的爐管，僅碳鋼爐管是國產(chǎn)的，鉻鉬鋼和不銹鋼爐管基本上都是進(jìn)口的。隨著國內(nèi)鋼鐵冶煉技術(shù)的進(jìn)步和制造技術(shù)的提高，爐管的國產(chǎn)化率越來越高，不僅可以按國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，也可以按美國ASTM等標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。Cr5Mo、Cr9Mo爐管執(zhí)行的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)為GB 9948，美標(biāo)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(jù)鋼管的熱處理制度不同，Cr5Mo爐管細(xì)分為12Cr5MoI和12Cr5MoNT兩個牌號，Cr9Mo爐管細(xì)分為12Cr9MoI和12Cr9MoNT兩個牌號，后綴符號I表示鋼管交貨狀態(tài)為完全退火或等溫退火，后綴符號NT表示鋼管交貨狀態(tài)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，第一類是在制造安裝過程中，由爐管回火處理或焊后熱處理過程中所產(chǎn)生的脆化；第二類是長期在回火脆化溫度范圍內(nèi)使用而發(fā)生的脆化。鉻鉬鋼出現(xiàn)回火脆性的溫度范圍為370~600℃，溫度越高脆化速度越快。

鉻鉬鋼回火脆性發(fā)生的機(jī)理，比較重要的晶界偏聚機(jī)制：鉻鉬鋼在一定溫度回火、回火后冷卻或長期在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(dāng)材料經(jīng)受沖擊或拉伸時，晶面能已下降的晶界處很容易首先開裂。降低材料回火脆化敏感性的根本方法是控制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系數(shù)X和鋼材的回火脆化敏感性系數(shù)J加以控制：

X=(10P+5Sb+4Sn+As)×10-2（式中的元素符號表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以ppm表示）；

J=(Mn+Si) (P+ Sn)×104（式中的元素符號表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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(bǔ)充技術(shù)要求

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定了鉻鉬鋼爐管的通用技術(shù)要求，為保障鉻鉬鋼爐管安全，還應(yīng)在設(shè)計文件中就爐管化學(xué)成分、力學(xué)性能、爐管熱處理、硬度、檢查、試驗、缺陷處理、爐管焊接和焊后熱處理作出補(bǔ)充規(guī)定。設(shè)計文件包括爐管詢價書、設(shè)計圖紙等等。

2.4.1 化學(xué)成分

為降低材料回火脆化敏感性，Cr5Mo、Cr9Mo爐管化學(xué)成分應(yīng)符合表2的要求。

表2 Cr5Mo、Cr9Mo爐管的化學(xué)成分  (wt%)

制造廠應(yīng)對爐管進(jìn)行成品分析，并提供分析報告。

2.4.2 爐管的力學(xué)性能

Cr5Mo、Cr9Mo爐管的力學(xué)性能除應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定外，拉伸性能應(yīng)符合表3的要求。

表3 Cr5Mo、Cr9Mo爐管拉伸性能要求

2.4.3 爐管熱處理

為使材料晶粒細(xì)化、組織均勻溫度、強(qiáng)度與塑性配合適宜，需對材料進(jìn)行熱處理。正火加回火熱處理后的材料抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度等指標(biāo)要優(yōu)于退火熱處理后的材料指標(biāo)，故煉油裝置管式加熱爐所用的Cr5Mo、Cr9Mo爐管，交貨狀態(tài)應(yīng)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(yīng)載入質(zhì)量證明文件中。

鋼材在回火溫度達(dá)到600℃以上時，有害元素在晶界的偏聚就會受到原子熱運動的影響而消失， 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爐管硬度值作出限制，以降低爐管材料脆性，提高韌性。

GB 9948-2013《石油裂化用無縫鋼管》規(guī)定了12Cr5MoI和12Cr9MoI材料的硬度值分別不大于163HBW和179HBW，而對12Cr5MoNT和12Cr9MoNT材料硬度值未做規(guī)定。參考工程案例，建議12Cr5MoNT材料的爐管硬度不大于179HBW，12Cr9MoNT材料的爐管硬度不大于200HBW。

2.4.5 爐管檢查和試驗

所有Cr5Mo、Cr9Mo爐管，應(yīng)逐根進(jìn)行100%縱向和橫向超聲波檢驗，對比樣管外表面縱向刻槽深度為壁厚的5%，且不超過1mm；應(yīng)逐根進(jìn)行100%的渦流探傷檢查，試塊參考槽開孔直徑不大于2.2mm；應(yīng)逐根進(jìn)行水壓試驗。

2.4.6 缺陷處理

爐管內(nèi)外表面不得有裂紋、夾渣、折疊、劃傷及凹陷等缺陷。爐管的任何缺陷不得采用補(bǔ)焊修理，僅允許通過打磨消除，且打磨后的壁厚不得小于最小壁厚。

2.4.7 爐管焊接

Cr5Mo、Cr9Mo爐管焊接執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為SH/T3085-2016《石油化工管式爐碳鋼和鉻鉬鋼爐管焊接技術(shù)條件》。爐管和管件施焊前應(yīng)根據(jù)材料的脆硬性等進(jìn)行預(yù)熱，以降低焊接接頭硬度和焊接應(yīng)力。焊接時應(yīng)采用多層多道的焊接方法。

2.4.8 焊后熱處理

爐管及管件焊接后，應(yīng)立即對焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，以細(xì)化晶粒、均勻組織、消除焊接殘余應(yīng)力，降低硬度、提高接頭的綜合力學(xué)性能。焊后熱處理參數(shù)可根據(jù)SH/T 3085-2016《石油化工管式爐碳鋼和鉻鉬鋼爐管焊接技術(shù)條件》中表7.4.7確定。

焊后熱處理的效果主要通過測定硬度值進(jìn)行檢驗。熱處理后，應(yīng)對焊縫、熱影響區(qū)及其附近母材分別抽檢表面布氏硬度，抽檢數(shù)量不少于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于241HBW，否則應(yīng)重新進(jìn)行熱處理并做硬度檢測。

3 結(jié)語

在設(shè)計階段，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境選擇合適的Cr5Mo、Cr9Mo爐管材料及牌號，并在設(shè)計文件中對爐管化學(xué)成分、力學(xué)性能、爐管熱處理、硬度、檢查、試驗、缺陷處理、爐管焊接和焊后熱處理提出一系列補(bǔ)充技術(shù)要求。好的設(shè)計是降低爐管回火脆化敏感性、避免爐管事故發(fā)生的前提。

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