炉管渗碳层厚度的测量方法
【专利摘要】本发明提供了炉管渗碳层厚度的测量方法，具体涉及乙烯加工领域。本发明实施例提供的炉管渗碳层厚度的测量方法，其通过预先测量了多组矫顽力和渗碳层精确厚度，并且建立了矫顽力和渗碳层厚度的对应关系，再在需要获取渗碳层厚度的时候，先测量待检测炉管的矫顽力，并且根据建立好的矫顽力和渗碳层厚度的对应关系，计算出测量到的矫顽力所对应的渗碳层厚度，计算得到的渗碳层厚度也就是待检测炉管的渗碳层厚度，从而在不破坏待检测炉管的情况下，获取到了待检测炉管的渗碳层厚度，从而解决了现有技术中的不足。
【专利说明】炉管渗碳层厚度的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及乙烯加工领域，具体而言，涉及炉管渗碳层厚度的测量方法。
【背景技术】
[0002] 乙烯是世界上产量最大的化学产品之一，是石油化工产业的核心，乙烯产品占石 化产品的75%以上，在国民经济中占有重要的地位。世界上已将乙烯产量作为衡量一个国 家石油化工发展水平的重要标志之一。乙烯生产装置中，乙烯裂解炉是核心的设备，乙烯裂 解炉的主要作用是把天然气、炼厂气、原油及石脑油等各类原材料加工成裂解气，并提供给 其它乙烯装置，最终加工成乙烯、丙烯及各种副产品。
[0003] 乙烯裂解炉通常采用HP系列的奥氏体耐热钢，炉管实际服役过程中由于操作及 工艺流程等原因会在超高温下运行，在实际中可以观察到奥氏体耐热钢炉管经过长期高温 运行，原本属于无磁性钢的奥氏体耐热钢，出现了明显的磁性。磁性的出现是由于炉管金相 组织发生变化，改变了原始纯净的奥氏体组织，因此可以推断，在一定程度上，炉管磁性强 度的变化反映了炉管材质劣化程度。
[0004] 渗碳（渗碳损伤、渗碳破坏）是指碳氢化合物在炉管内表面分解后形成的碳原子 进入合金并向内部扩展和形成碳化物的过程。当渗碳达到一定程度时，材质脆化，渗碳层开 始产生裂纹，并导致炉管的损坏，即渗碳破坏。
[0005] 渗碳损伤实际上是渗碳、氧化、局部蠕变等联合作用的结果。首先，炉管内结焦的 碳原子渗透并扩散到内壁基体金属中，与基体金属中铬生成铬的碳化物Cr7C3。这种铬的碳 化物遇到氧，很容易从晶界开始，产生选择性的氧化。晶界上的碳化物被氧化后，基体晶粒 之间的结合力大幅度下降，开始发生局部的蠕变并产生裂纹。
[0006] 渗碳一方面容易产生和诱发裂纹造成破坏，另一方面，当裂纹和缺陷存在时，渗碳 与裂纹的交互作用，促进裂纹的发展，形成恶性循环。实际上炉管发生蠕变、疲劳和应力断 裂的部位，通常都伴有较严重的渗碳，这充分说明了渗碳对炉管失效的影响程度。
[0007] 在紧急停炉过程中管壁温度由当时的运行温度急剧下降，由于炉管的渗碳层与非 渗碳层的热膨胀系数不同，造成炉管非渗碳层中产生较大的拉应力（轴向）。这种应力与 其他应力叠加在一起致使炉管表面已经产生的渗碳裂纹及蠕变空洞等缺陷的异常延伸、扩 展，而由于材料劣化，材料的韧性变差，又加剧了此种趋势，只是在紧急停炉时炉管受到了 较大的损伤（但尚未断裂）。由于切割炉管时会产生部分外力，致使炉管最终在材料的薄弱 处发生脆断。
[0008] 针对渗碳损伤，较为常见的渗碳层厚度的测量方法有超声自动检测方法、红外热 像检测方法、涡流方法等。但由于上述方法都属于定性检测，大多采用未服役炉管的高温持 久试验数据，这使得裂解炉管的剩余寿命预测与实际偏差较大，导致非预料的炉管失效时 有发生。
[0009] 综上所述，需要针对渗碳损伤这一问题，更加精确的确定渗碳层的厚度。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供炉管渗碳层厚度的测量方法，以解决上述的问题。
[0011] 在本发明的实施例中提供了炉管渗碳层厚度的测量方法，包括：
[0012] 获取待检测炉管的有效矫顽力数值；
[0013] 根据预先获取的矫顽力数值与渗碳层厚度对应关系，计算出待检测炉管的渗碳层 厚度。
[0014] 优选的，根据预先获取的矫顽力数值与渗碳层厚度对应关系，计算出待检测炉管 的渗碳层厚度包括：
[0015] 根据如下公式计算待检测炉管的渗碳层厚度，y=Ax2+Bx-C，其中，y为待检测炉 管的渗碳层厚度，X为待检测炉管的矫顽力数值，A、B和C均为常量，其中，A的取值范围是 0. 8*1(Γ3 ?1. 5*10_3。
[0016] 优选的，B的取值范围是0. 5?1. 5,C的取值范围是190A/m-230A/m。
[0017] 优选的，A的取值范围是1*10_3?I. 2*10_3,B的取值范围是0. 7?1，C的取值范 围是200?220。
[0018] 优选的，A的取值为I. 15*10_3,B的取值为0. 8,C的取值为208。
[0019] 优选的，还包括：
[0020] 获取待检测炉管多个计算位置的矫顽力数值；
[0021] 根据预先获取的每个计算位置的导磁率，分别计算每个位置的渗碳层厚度；
[0022] 根据每个位置的矫顽力数值和渗碳层厚度，确定矫顽力数值与渗碳层厚度对应关 系。
[0023] 优选的，获取待检测炉管的矫顽力数值包括：
[0024] 分别获取指定的检测位置的环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值；
[0025] 根据指定的检测位置的环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值，按照预设的权重比， 计算指定的检测位置的有效矫顽力数值。
[0026] 优选的，还包括：根据以下参数中的一个或多个确定待检测炉管的检测位置：待 检测炉管的使用时长、待检测炉管的材质、待检测炉管的工作温度和待检测炉管的工作介 质。
[0027] 优选的，在获取待检测炉管的矫顽力数值前还包括：
[0028] 去除预定的厚度的待检测炉管外壁或内壁的渗碳层。
[0029] 优选的，去除预定的厚度的待检测炉管外壁或内壁的渗碳层包括：
[0030] 去除全部的待检测炉管外壁的渗碳层。
[0031] 本发明实施例提供的炉管渗碳层厚度的测量方法，与现有技术中的使用超声自动 检测方法、红外热像检测方法、涡流方法等对炉管渗碳层厚度进行测量，并且大多采用未服 役炉管的高温持久试验数据，使得裂解炉管的剩余寿命预测与实际偏差较大，也就是对炉 管渗碳层厚度测量不准确相比，其通过预先测量了多组矫顽力和渗碳层精确厚度，并且建 立了矫顽力和渗碳层厚度的对应关系，再在需要获取渗碳层厚度的时候，先测量待检测炉 管的矫顽力，并且根据建立好的矫顽力和渗碳层厚度的对应关系，计算出测量到的矫顽力 所对应的渗碳层厚度，计算得到的渗碳层厚度也就是待检测炉管的渗碳层厚度，从而在不 破坏待检测炉管的情况下，获取到了待检测炉管的渗碳层厚度，从而解决了现有技术中的 不足。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1示出了本发明实施例的炉管渗碳层厚度的测量方法的基本流程图；
[0033] 图2示出了本发明实施例的炉管渗碳层厚度的测量方法的炉管示意图；
[0034] 图3A示出了本发明实施例的炉管渗碳层厚度的测量方法的1#炉管渗碳10小时 外壁车削2_后不同区域环向矫顽力对应关系图；
[0035] 图3B示出了本发明实施例的炉管渗碳层厚度的测量方法的1#炉管渗碳10小时 外壁车削2mm后不同区域轴向矫顽力对应关系图；
[0036] 图4示出了本发明实施例的炉管渗碳层厚度的测量方法的环向和轴向矫顽力与 渗碳层厚度的拟合曲线图；
[0037] 图5示出了本发明实施例的炉管渗碳层厚度的测量方法的有效矫顽力与渗碳层 厚度的拟合曲线图。
【具体实施方式】
[0038] 下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
[0039] 本发明实施例提供了炉管渗碳层厚度的测量方法，如图1所示，包括如下两个步 骤：
[0040]S201，获取待检测炉管的有效矫顽力数值；
[0041]S202,根据预先获取的矫顽力数值与渗碳层厚度对应关系，计算出待检测炉管的 渗碳层厚度。
[0042] 具体的，矫顽力数值与渗碳层厚度对应关系是预先得到的。如，可以使用破坏性测 试的方式，来测试不同的炉管的渗碳层厚度。这与实际需要获取渗碳层厚度的方式是有差 别的，正常测量时，是不能破坏待检测炉管的，这也是正常检测时，无法精确获取渗碳层厚 度的原因。在使用破坏性测试炉管的矫顽力的时候，还需要测试炉管的矫顽力数值，可以通 过多次测量来使得测量到的矫顽力和渗碳层厚度的数值更为精确。通过测量炉管不同位置 的矫顽力和渗碳层厚度，也就能够得到多组矫顽力和渗碳层厚度的对应关系，进而可以根 据建立起的对应关系形成矫顽力和渗碳层厚度的对应表，或者建立起矫顽力和渗碳层厚度 的换算式。在需要测量渗碳层厚度的时候（非破坏性测量），通过测量待检测炉管指定位置 矫顽力，再根据该矫顽力查找/计算该矫顽力所对应的渗碳层厚度，也就能够知悉指定位 置的矫顽力数值。
[0043] 通过对大量的矫顽力和实际渗碳层厚度的对应关系，可以通过数学建模等方法 (由多个离散的点值转变为线性变化的曲线，进而确定曲线的函数关系式）来确定矫顽力 和渗碳层厚度的关系式。
[0044] 在确定了矫顽力和渗碳层厚度的函数关系式后，根据预先获取的矫顽力数值与渗 碳层厚度对应关系，计算出待检测炉管的渗碳层厚度包括：
[0045] 根据如下公式计算待检测炉管的渗碳层厚度，y=Ax2+Bx-C，其中，y为待检测炉 管的渗碳层厚度，X为待检测炉管的矫顽力数值，A、B和C均为常量，其中，A的取值范围是 0. 8*1(Γ3 ?1. 5*10_3。
[0046] 进一步，B的取值范围是0. 5?I. 5,C的取值范围是190A/m-230A/m。
[0047] 进一步，A的取值范围可以是1*1(Γ3?I. 2*1(T3,B的取值范围可以是0. 7?1，C 的取值范围可以是200?220。
[0048] 经过大量渗碳层厚度和矫顽力数值对应关系的比较，能够确定A、B和C更为精确 的数值，A的取值为I. 15*10_3,B的取值为0. 8,C的取值为208。
[0049] 上述提供的公式可以适用于所有类型的炉管，其中炉管可以是裂解炉、转化炉等。
[0050] 考虑到具体在测量矫顽力和渗碳层厚度时，不同的炉管受其使用环境的影响，可 能会导致在某些极端环境下，或者某些特殊环境下的炉管渗碳层厚度与矫顽力的对应关系 不同于一般的函数关系，因此，如果条件允许，也可以是在确定了工作环境后，临时建立矫 顽力与渗碳层厚度的函数关系，使建立好的函数关系更加适用于该工作环境下的渗碳层厚 度的测量。
[0051] 也就是本发明所提供的炉管渗碳层厚度的测量方法还包括：
[0052] 获取待检测炉管多个计算位置的矫顽力数值；
[0053] 根据预先获取的每个计算位置的导磁率，分别计算每个位置的渗碳层厚度；
[0054] 根据每个位置的矫顽力数值和渗碳层厚度，确定矫顽力数值与渗碳层厚度对应关 系。
[0055] 渗碳后材料（炉管）的物理性能和机械性能会发生变化。渗碳使体积膨胀、密度 减小，且碳量越高，密度越小。渗碳使热膨胀系数降低，在相同温度下，碳量越高，热膨胀系 数越低。渗碳使导磁率升高。也就可以根据此原理进行渗碳层厚度测量。由于此部分现有 技术中已可以实现，在本实施例不再细致说明。
[0056] 待检测炉管指定位置的矫顽力也分为方向不同的矫顽力，也就是不同方向的矫顽 力数值可能是不同的，或者说不同方向的矫顽力数值是略有差别的。因此，可以通过测量不 同方向的矫顽力，并且对矫顽力取平均值，或者通过对不同方向的矫顽力赋予不同权重值 的方式，将不同方向的较矫顽力进行叠加，以形成更加精确的矫顽力数值，也就是有效矫顽 力数值。
[0057]为了更加精确的确定矫顽力的数值，获取待检测炉管的矫顽力数值包括：
[0058] 分别获取指定的检测位置的环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值；
[0059] 根据指定的检测位置的环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值，按照预设的权重比， 计算指定的检测位置的有效矫顽力数值。
[0060] 为了简化检测矫顽力的数量，可以只测量炉管环向和轴向矫顽力的数值，通常环 向和轴向矫顽力的数值是待检测炉管指定位置的矫顽力数值的极端值，其他方向（介于环 向和轴向之间的其他方向）的矫顽力数值是在环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值之间的 数值。因此，通过选取有代表性的矫顽力数值便可以替代其他方向的矫顽力数值。并且可 以根据具体情况，给环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值赋予不同的权重，使二者在有效矫 顽力数值中所体现的效果是有差别的。如环向矫顽力数值为10,权重比为60% ;轴向矫顽 力数值为15,权重比为40%，那么计算出的有效矫顽力数值便是10*0. 6+15*0. 4 = 12。具 体的权重比可以根据情况而定，也就是实测人员可以根据当前的工作环境来确定环向矫顽 力数值和轴向矫顽力数值中，哪个起到的作用更重要。也可以预先分别测量在具体的工作 环境下，环向矫顽力和轴向矫顽力与实际渗碳层厚度的换算关系式，选择更为精确的一种 矫顽力数值，建立矫顽力与渗碳层厚度的换算关系式。
[0061] 需要说明的是，建立好的矫顽力与渗碳层厚度的换算关系式是计算式，而不是决 定式，为了更好的确定某种工作环境下的矫顽力与渗碳层厚度的换算关系，优选在每种工 作环境下均重新建立矫顽力和渗碳层厚度的换算关系。
[0062] 待检测炉管的渗碳层厚度并不是处处相等，因此为了更为合理的确定待检测炉管 中的指定位置，可以根据炉管的具体情况来确定这个用于检测矫顽力的指定位置，也就是 本发明所提供的炉管渗碳层厚度的测量方法还包括：根据以下参数中的一个或多个确定待 检测炉管的检测位置：待检测炉管的使用时长、待检测炉管的材质、待检测炉管的工作温度 和待检测炉管的工作介质。
[0063] 通常，待检测炉管中有一处的渗碳层厚度过高，便不能够使用了，通过上述几种参 量，或者再结合测量者的经验，能够较为准确的确定待检测炉管中，渗碳层较厚，或者待检 测炉管中比较重要的一个，或几个位置，进一步通过对这一个，或几个位置分别进行矫顽力 的测量，便能够通过矫顽力与渗碳层厚度的换算关系式来计算出这一个，或几个位置的渗 碳层厚度，并且通过查看这一个，或几个位置的渗碳层厚度是否超过预设的阈值，来判断， 或者预测炉管的未来适用前景。
[0064] 同样，为了更加精确度的测量炉管的渗碳层厚度，在获取待检测炉管的矫顽力数 值前还包括：
[0065] 去除预定的厚度的待检测炉管外壁或内壁的渗碳层。
[0066] 待检测炉管的内壁和外壁均会有渗碳产生，因此，通过去除掉一侧的渗碳能够更 为精确和便利的测量出另一侧的渗碳厚度。通常是去除掉外壁的渗碳，来测量内壁的渗碳 层厚度。
[0067] 进一步，去除预定的厚度的待检测炉管外壁或内壁的渗碳层包括：
[0068] 去除全部的待检测炉管外壁的渗碳层。
[0069] 在计算矫顽力和渗碳层厚度换算关系式时，可以按照如下方式进行。
[0070] 在实际工况中，裂解炉发生损坏的概率较大，转化炉相对较小，可以分别选取未服 役及服役后的裂解炉炉管和转化炉炉管进行研究，从而获得不同的渗碳层厚度。采用乌克 兰某公司生产的便携式磁性分析仪在每种炉管以一端为基准的长度方向的l〇mm、150mm、 290mm(如图2所示的A、B和C处）处进行矫顽力测试，（由于该仪器只能测定特定间距处的 矫顽力数值，因此本试验选取具有代表性的A、B和C处进行测量，以获得这三处对应的矫顽 力数值）根据炉管管径大小，将炉管的环向均匀分为几个区域，对每个区域的环向与轴向 分别进行矫顽力的测试；由于该仪器所测的渗碳层厚度是针对炉管内外壁总渗碳层厚度之 和，因此将炉管外壁车削2mm，去除外壁的渗碳层，模拟较薄的渗碳层，用同样方法再次进行 矫顽力测试后，获得炉管不同渗碳层厚度与矫顽力的对应关系，对大量实验数据整理分析， 通过数据拟合，得到矫顽力值与渗碳层厚度的换算关系式。在此基础上，利用乌克兰某公司 生产的便携式磁性分析设备，通过正确的仪器操作，保持仪器探头与炉管表面良好接触，测 试仪器探头所覆盖的范围，分别在轴向及环向上各测试3?5次，取平均值，作为该处炉管 所测试的矫顽力数值，根据矫顽力与渗碳层厚度对应关系式，由测出的矫顽力数值计算出 该处的渗碳层厚度。该方法对所有炉管均适用，且不要求处理炉管表面，按照正确的仪器校 准、操作即可获得准确的矫顽力数值。
[0071] 本发明实施例提供的炉管渗碳层厚度的测量方法，通过预先测量了多组矫顽力和 渗碳层精确厚度，并且建立了矫顽力和渗碳层厚度的对应关系，再在需要获取渗碳层厚度 的时候，先测量待检测炉管的矫顽力，并且根据建立好的矫顽力和渗碳层厚度的对应关系， 计算出测量到的矫顽力所对应的渗碳层厚度，计算得到的渗碳层厚度也就是待检测炉管的 渗碳层厚度，从而在不破坏待检测炉管的情况下，获取到了待检测炉管的渗碳层厚度，并且 通过测量环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值，且根据环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值更 加精确的确定了准确的有效矫顽力数值，也就使得获取到的渗碳层厚度更加精确，还通过 根据待检测炉管的使用时长、待检测炉管的材质、待检测炉管的工作温度和待检测炉管的 工作介质来确定了待检测炉管的实际检测位置，使得能够针对炉管最亟待测量的位置进行 矫顽力的测量，进而换算出该位置的渗碳层厚度，更精确的帮助判断了该炉管的未来使用 前景，从而更好的解决了现有技术中的不足。
[0072] 本发明实施例2提供了说明矫顽力和炉管的渗碳层厚度换算关系式的得出过程 和基本原理的实验。
[0073] 本项目实验原材料包括5种，为未服役或已服役的奥氏体耐热钢，如表1所示。实 验中所用炉管材质均为HP40Nb奥氏体耐热钢，其化学成分如表2所示，常规力学性能如表 3所示。
[0074] 表 1
[0075]
【权利要求】
1. 炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，包括： 获取待检测炉管的有效矫顽力数值； 根据预先获取的矫顽力数值与渗碳层厚度对应关系，计算出所述待检测炉管的渗碳层 厚度。
2. 根据权利要求1所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，所述根据预先获 取的矫顽力数值与渗碳层厚度对应关系，计算出所述待检测炉管的渗碳层厚度包括： 根据如下公式计算所述待检测炉管的渗碳层厚度，y = Ax2+Bx-C，其中，y为待检测炉 管的渗碳层厚度，x为待检测炉管的矫顽力数值，A、B和C均为常量，其中，A的取值范围是 0. 8*1(T3 ?1. 5*10_3。
3. 根据权利要求2所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，B的取值范围是 0? 5 ?1. 5, C 的取值范围是 190A/m-230A/m。
4. 根据权利要求3所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，A的取值范围是 1*10_3?1. 2*10_3, B的取值范围是0? 7?1，C的取值范围是200?220。
5. 根据权利要求4所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，A的取值为 1. 15*10_3, B的取值为0. 8, C的取值为208。
6. 根据权利要求1所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，还包括： 获取待检测炉管多个计算位置的矫顽力数值； 根据预先获取的每个所述计算位置的导磁率，分别计算每个位置的渗碳层厚度； 根据每个位置的矫顽力数值和渗碳层厚度，确定所述矫顽力数值与渗碳层厚度对应关 系。
7. 根据权利要求1所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，所述获取待检测 炉管的矫顽力数值包括： 分别获取指定的检测位置的环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值； 根据所述指定的检测位置的环向矫顽力数值和轴向矫顽力数值，按照预设的权重比， 计算所述指定的检测位置的有效矫顽力数值。
8. 根据权利要求7所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，还包括：根据以下 参数中的一个或多个确定待检测炉管的检测位置：待检测炉管的使用时长、待检测炉管的 材质、待检测炉管的工作温度和待检测炉管的工作介质。
9. 根据权利要求8所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，在所述获取待检 测炉管的矫顽力数值前还包括： 去除预定的厚度的待检测炉管外壁或内壁的渗碳层。
10. 根据权利要求9所述的炉管渗碳层厚度的测量方法，其特征在于，所述去除预定的 厚度的待检测炉管外壁或内壁的渗碳层包括： 去除全部的待检测炉管外壁的渗碳层。
【文档编号】G01B7/06GK104457547SQ201410743518
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】刘德宇, 方舟, 湛小林, 李兵, 闫河, 韩利哲 申请人:中国特种设备检测研究院