四級球化10CrMo910鋼爐管剩余壽命評價

陳燁鵬，陸曉峰，朱曉磊

(南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816)

0 引言

近年來，石化、電力、能源等行業不斷地發展，在我國經濟發展中已經占據著十分重要的地位[1]，在這些行業中，爐管主要承擔著輸送、傳遞能量的職責。但是，在長期高溫服役過程中，爐管材料組織逐漸發生變化，受到一定的損傷作用，其金屬性能逐漸降低，爐管服役壽命也隨之降低。高溫爐管的剩余壽命研究一直以來都是科研工作者關注的熱點，國內外學者對剩余壽命評估進行了大量的研究。陳舜青等[2]通過研究內氧化層與爐管剩余壽命的相關關系，利用內氧化層厚度實際評價爐管剩余壽命；Lee[3]通過對Cr-Mo合金鋼進行超聲測量，建立了定量超聲測量材料蠕變損傷程度的測量方法，發現超聲波噪聲與蠕變劣化的增加成比例地線性增加；王亮等[4]研究了T92鋼高溫時效后的硬度變化，根據硬度法外推了T92鋼的蠕變壽命；邵建雄等[5-6]通過試驗分析Cr5Mo鋼爐管高溫服役后的組織性能，并采用Larson-Miller方法對爐管剩余壽命進行評估。然而，學者們在研究爐管剩余壽命時所用參數大多來自現場實際測量和理論計算，但由于服役設備的大型化，現場測量數據的難度和成本都在不斷提高，因而結合有限元計算和試驗，對爐管剩余壽命進行評估，可有效降低壽命評估成本。本文針對某石化企業歧化反應進料加熱爐四級球化10CrMo910鋼爐管，采用ABAQUS軟件對其服役條件下的應力分布進行模擬計算，確定試驗應力水平；而后應用蠕變試驗，研究四級球化10CrMo910爐管的蠕變特性，并基于蠕變斷裂應變法，獲得服役條件下四級球化10CrMo910爐管的剩余壽命，為裝置安全運行提供參考。

1 數值模擬

1.1 模型建立

加熱爐幾何模型如圖1所示。加熱爐的爐管分成8組，每組獨立工作，且每組爐管的支吊架獨立分布，不相互干擾。因此，為了簡化計算，采用單組爐管進行分析，其幾何模型如圖2(a)所示。

圖1 加熱爐三維幾何模型

采用ABAQUS Standard求解器，對爐管應力場進行線彈性應力分析計算，材料彈性模量173 GPa，泊松比0.33，介質內壓5 MPa。物料進口溫度330 ℃，進口流速0.234 2 m/s，物料出口溫度340 ℃，出口壓力0.1 MPa，爐管溫度600 ℃。由于爐管的進口和出口均與外部接管相連，故在進、出口采用固支約束，即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。為了避免固支約束對管道應力分析的影響，根據圣維南原理[7]，對爐管進、出口端進行加長。爐管應力分析的網格模型如圖2(b)所示，網格類型為C3D8R，網格數量66.16萬。

(a)幾何模型 (b)網格模型圖2 單組爐管幾何模型及網格模型

1.2 計算結果

服役爐管的Mises應力分布云圖如圖3所示。爐管直管段的應力為32 MPa，最大應力出現在180°彎管內彎曲面上，達55 MPa，其原因是加熱爐中的爐管在高溫中服役時，有膨脹伸長變形的趨勢，而180°彎管的內彎曲面拘束度最大，從而導致該處應力達到最大值。

圖3 爐管應力分布

2 蠕變試驗

2.1 試驗方法及試樣

2.1.1 試樣金相分析

應用Olympus DX510顯微鏡對爐管軸向截面和徑向截面進行了金相分析，金相圖像如圖4所示?？梢钥闯?，10CrMo910鋼爐管金相組織為鐵素體，且鐵素體內分布著第二相增強相，分布較為均勻，但碳化物在晶界處聚集長大，發生了珠光體球化現象，參照標準DL/T 999—2006《電站用2.25Cr-1Mo鋼球化評級標準》[8]，判定爐管球化等級為4級。

(a)軸向截面 750×

2.1.2 試驗

參照GB/T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》[9]對四級球化爐管進行蠕變試驗。蠕變拉伸試樣采用線切割法制備，采用600#～1200#砂紙進行打磨，用丙酮清洗，冷風吹干放置于真空干燥箱中備用。蠕變測試試驗采用RD-50蠕變性能測試機，如圖5所示。

圖5 RD-50蠕變性能測試機

根據加熱爐溫度場和應力場分析結果，制定蠕變試驗組次，本文在試驗溫度600 ℃下，對爐管材料分別進行55,70,100,150 MPa不同應力水平下的蠕變拉伸試驗，試驗時間不超過3 000 h。每種工況至少重復3次，試樣數量為12件。

2.2 試驗結果

600 ℃不同應力水平下的四級球化10CrMo910鋼爐管蠕變試驗結果見圖6。典型的蠕變曲線可分為3個階段，即減速蠕變階段、穩態蠕變階段、加速蠕變階段[10]。從圖6(a)(b)可以看出，55 MPa和70 MPa兩個應力等級下，經過3 000 h的蠕變試驗，蠕變曲線仍呈現出穩態蠕變現象，處于穩態蠕變階段，平均極限蠕變應變分別達到0.94%和14.7%，皆未發生斷裂。在100 MPa和150 MPa兩個應力等級下(見圖6(c)(d))，蠕變曲線很快進入了蠕變變形的第三階段，即加速蠕變階段;600 ℃時100 MPa和150 MPa條件下，四級球化10CrMo910鋼爐管平均極限斷裂蠕變應變分別為25.2%和26%，對應斷裂時間分別為334.2 h和9.8 h。

(a)55 MPa

3 剩余壽命評價

根據流場和應力分布分析可知，爐管的最大應力水平為55 MPa，出現在180°彎管內彎曲面上。采用蠕變斷裂應變法，對600 ℃,55 MPa的蠕變曲線進行數據擬合，蠕變應變擬合方程見式(1)，擬合結果與試驗結果如圖7所示。

圖7 600 ℃,55 MPa蠕變應變擬合結果對比

εc(t)=0.0829+4.1765×10-4t-1.59517×10-7t2

+3.77536×10-11t3

(1)

由于600 ℃時，100 MPa和150 MPa條件下的蠕變應變分別為25.2%和26%，在低應力條件下，材料的應變不會發生較大變化，因此，文中選取斷裂應變為25%來評估剩余壽命，即蠕變應變達到25%，蠕變斷裂時間為9 300 h?？紤]到擬合過程不包含蠕變的第三階段，此外推結果與真實結果存在較大誤差，取折減系數為1.6[11-12]，則600 ℃，55 MPa工況條件下，四級球化10CrMo910鋼爐管剩余壽命約為5 812.5 h。

4 結論

以四級球化10CrMo910鋼爐管為研究對象，采用數值分析、試驗以及理論分析相結合的手段對該爐管在服役條件下的剩余壽命進行研究，得到結論如下。

(1)爐管在服役工況下，最大應力水平為55 MPa，出現在180°彎管內彎曲面上。

(2)四級球化的10CrMo910鋼爐管在600 ℃時,55 MPa和70 MPa條件下基本處于蠕變穩態階段;100 MPa和150 MPa條件下處于加速蠕變階段。

(3)四級球化的10CrMo910爐管在服役條件下的剩余壽命約為5 812.5 h。