[发明专利]一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法

说明书

一种无损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，根据实验数据拟合渗碳时间‑炉管内表面碳含量关系曲线，设置渗碳时间制作不同内表面碳含量的炉管样品，测量各样品截面碳含量得到炉管样品截面碳含量曲线。测量不同内表面碳含量炉管的外表面残余应力，分别测量炉管截面上不同碳含量的点与炉管内壁的距离得到残余应力‑碳含量‑渗碳区厚度曲线。测量实际服役炉管外表面残余应力，设定渗碳区厚度测量起始点的碳含量，根据残余应力‑碳含量‑渗碳区厚度曲线确定自定义渗碳区厚度。本发明不破坏待评炉管的完整性，可自行设定测量起始点碳含量，通过曲线确定炉管渗碳区厚度，避免现有测量方法影响因素多、测量结果准确性差、渗碳层界定不明确、现场实施效率低的问题。

技术领域

本发明属于无损评价技术领域，涉及到乙烯裂解炉管渗碳程度的评价，特 别涉及到渗碳区厚度的无损确定方法。

背景技术

现在世界上的乙烯生产装置，几乎全部采用管式裂解炉。乙烯裂解炉管的 服役环境极其恶劣，在工作运行过程中，炉管内部原料为高碳势的碳氢气体和 水蒸汽等混合气，炉管外壁受到高温火焰辐射，乙烯裂解炉管处于其内壁发生 氧化渗碳、外壁高温氧化的服役环境中，加之炉管又受到管内内压、管身自重、 内外壁温差以及频繁开/停车引起的复杂内应力，处于这样的工作环境下，极易 导致裂解炉管发生渗碳、热疲劳和蠕变等损伤，造成炉管失效，而其中渗碳是 造成炉管失效的主要因素。裂解炉管的渗碳是从内壁开始的，随着服役时间的 增加，渗碳区域逐渐向外壁扩展，如图1所示。渗碳造成炉管失效的主要原因有：第一，渗碳使得组织中的碳化物类型和形态发生变化，由细小弥散的形态 逐渐演变为粗大的网链状，导致炉管组织发生劣化，图2所示为裂解炉管未渗 碳区域的微观组织照片，图3所示为裂解炉管渗碳区域的微观组织照片，可以 看出，未渗碳区域晶界和晶内仅有少量碳化物，并且呈弥散细小的形态分布， 而渗碳区域不仅碳化物数量增加，形态也由细小的粒状转变为在晶内粗大的块 状和在晶界的链状。碳化物的聚集粗化会产生应力集中，使晶界碳化物附近出 现空洞和微裂纹，如图4所示，导致炉管失效；第二，炉管渗碳区的密度下降， 承载能力降低，并且由于渗碳区的热膨胀系数低于基体，导致炉管的受力状况 恶化，加速了裂解炉管的损伤并导致炉管渗碳后热疲劳和热冲击抗力大大降低； 第三，随着炉管渗碳程度的增加，炉管的塑性严重下降，开停炉以及清焦过程 中的升温降温会引起炉管内外壁温度波动变化，由于渗碳区和非渗碳区之间的 物理性能有较大差异，导致在沿着炉管管壁径向方向产生附加应力，加速了炉 管的蠕变损伤。据相关资料的不完全统计，由于渗碳导致的炉管失效占60％以 上，其实际使用寿命往往不到设计寿命的70％，特别是，乙烯裂解炉管的渗碳 是不可避免的，因此，如何准确评价乙烯裂解炉管的渗碳程度，确定裂解炉管 渗碳区厚度，对于准确预测裂解炉管的剩余寿命，保障炉管的安全服役是人们极为关注的问题。

服役一段时间后的乙烯裂解炉管会产生渗碳，由内壁到外壁的截面碳含量 分布是逐渐变化的，并没有渗碳层和非渗碳层的明显界面，因此，目前并没有 明确、统一的渗碳区厚度的严格定义，通常是根据力学性能的差异或者碳含量 达到或超过一定程度来确定所谓的渗碳区厚度，基于此，最准确的确定渗碳区 厚度的方法是对服役炉管解剖进行截面碳含量测试和力学性能测试，确定炉管 截面碳含量分布和不同部位力学性能的差异，但这种方法周期长、费用高，而 且由于炉管服役过程中的渗碳是非线性和非稳态的过程，因此，需要持续性的 对服役炉管的渗碳情况进行跟踪，而企业不可能持续提供正常服役的炉管供人 们进行解剖研究，因此，这种方法在实际中是无法实现的。目前，人们也开发 了一些渗碳区厚度的无损检测方法，比如利用磁性的变化和矫顽力的变化评价 炉管的渗碳情况，但这些方法存在影响因素多、测量结果准确性差、渗碳层界 定不明确、现场实施效率低的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于工程现场快速实施的无 损确定乙烯裂解炉管自定义渗碳区厚度的方法，预先在实验室模拟实际工况， 测量不同渗碳程度炉管的残余应力，作出残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线，利 用便携式残余应力测试仪，在裂解炉停车期间测量不同管段的残余应力，通过 残余应力-碳含量-渗碳区厚度曲线确定渗碳区厚度。该方法可以自定义渗碳区域 的起始碳含量，具有非破坏性、方便快捷、可实施性好、结果准确的特点。