CN103499438B

CN103499438B - 基于剩余寿命的材质适应性评价方法

Info

Publication number: CN103499438B
Application number: CN201310439843.7A
Authority: CN
Inventors: 刘学军; 王辉; 李斌; 张军强
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-09-25
Also published as: CN103499438A

Abstract

本发明公开了一种基于剩余寿命的材质适应性评价方法，第一步：预测设备的剩余寿命；第二步：将预测的剩余寿命与期望的寿命比较；第三步：剩余寿命小于用户期望的寿命，进行报警，并进一步分析腐蚀速率；第四步：腐蚀速率超过设防值，建议材料进行升级。针对当前材料环境适应性评价方法的不足，提出了将剩余寿命影响引入现有的材料环境适应性评价方法中，是对现有方法的重要补充和完善。也提出了一种实用的剩余寿命预测方法，为实现全寿命的材料环境适应性评价奠定了基础。

Description

基于剩余寿命的材质适应性评价方法

技术领域

本发明属于石化装备安全评估技术领域，具体涉及石化设备的剩余寿命预测和材料适应性评价。

背景技术

原油品种日益多样化造成油品中的硫分布和酸分布不断变化，而石化装置因材料和其服役的环境不相适应带来的设备腐蚀、冲蚀、结焦情况日益严重，成为影响石化装置平稳运行的主要风险来源。因此，石化设备现有的服役材料和目前设备所炼制原油的适应性问题就变得十分重要，如果材料不能满足当前的服役环境要求，那么就要对现有的材料进行必要的升级，这样不仅有利于保障设备的安全，而且可以有效防止非计划性停工，降低成本，延长设备使用寿命。

目前的材料升级原则主要是通过对原油劣质化后石化装置内腐蚀性介质变化情况以及相应承压设备的腐蚀机理、腐蚀速率变化情况对其材料适应性问题进行评价。通过对腐蚀速率超过设防值的材料，给出升级的建议，在材料升级后可以使整个装置内的设备的腐蚀消耗基本处于同一水平线，从而消除了装置内的薄弱环节。

尽管腐蚀速率超标是反映材料环境适应性的一个重要特征，但是，设备的剩余寿命更能反映设备失效的可能性，因此，是评价材料环境适应性的另一个重要特征。然而，目前的材料环境适应性评价方法都没有考虑设备的剩余寿命影响。

发明内容

剩余寿命是反映材料环境适应性的一个重要特征，本发明将剩余寿命影响引入现有的材料环境适应性评价方法中，是对现有方法的重要补充和完善。

本发明提出方法的过程如下：在损伤机理分析的基础上，根据设备和管道设计标准、损伤的评价、评级标准，制定基于均匀腐蚀和局部腐蚀的剩余寿命评价方法。如果剩余寿命小于用户期望的寿命，进行报警，进一步分析腐蚀速率是否超过设防值，如果超标，判定材料不能满足环境适应性，建议进行材料升级，否则，只给出剩余寿命不足提示。

管道剩余寿命计算分元件进行，即直管、弯头、三通、异径管；容器剩余寿命计算分塔设备、球罐、卧式容器、立式容器。按相关国家、行业标准计算（如GB/T20801.3、GB/T19624、JB4732、GB50316），分别按弹性失效准则和塑性失效准则进行，只要满足其中一个准则即认为没有发生失效，可继续安全使用。

剩余寿命预测过程如下：按当前实测壁厚计算是否发生失效，如果未发生失效，将壁厚减年腐蚀速率作为新壁厚（即一年后的计算壁厚）计算是否发生失效，如此反复，直到发生失效，计算结束。发生失效时的上次计算壁厚即安全壁厚，循环次数即剩余寿命年限。上述计算过程通过软件***实现，避免人工的复杂计算。

本发明的有益效果是：针对当前材料环境适应性评价方法的不足，提出了将剩余寿命影响引入现有的材料环境适应性评价方法中，是对现有方法的重要补充和完善。也提出了一种实用的剩余寿命预测方法，为实现全寿命的材料环境适应性评价奠定了基础。

具体实施方式

以在某石化企业的三催化装置P-206管道直管段和D-102球罐均匀腐蚀为例对本发明的实施过程进行具体说明。通过人工计算或者软件***来实现剩余寿命预测过程。

实施例一

基于管道直管均匀腐蚀的剩余寿命的材质适应性评价方法

步骤1：根据腐蚀监测（定点测厚或在线腐蚀监测）或腐蚀分析得到腐蚀速率为0.5mm/年。

步骤2：选择管件类型为“直管”，弹性失效准则按GB/T20801.3-2006《压力管道规范工业管道第3部分：设计和计算》标准计算，塑性失效准则按JB4732-95《钢制压力容器分析设计标准》标准计算。

步骤3：输入计算参数，该直管的期望使用寿命4年。

将直管相关参数如表1，带入步骤2中的标准中，进行计算，计算步骤如下：

弹性失效准则：

\frac{p (D_{o} - 2 Yt)}{2 t Φ_{L}} \leq S - - - (1)

塑性失效准则，环向应力校核：

p \leq \frac{P_{L 0}}{1.8} - - - (2)

塑性失效准则，轴向应力校核：

{(\frac{p}{P_{Lo}})}^{2} + {(\frac{M_{A}}{M_{Lo}})}^{2} \leq 0.44 - - - (3)

其中：

p——操作压力，MPa；

D_o——管件外直径，mm；

t——管件计算壁厚，mm；

S——操作温度下管件材料许用应力，MPa；

Φ_L——管件纵焊缝焊接系数：焊接管100%RT检测或无缝管取1.0，焊接管不检测或抽检取0.80；

Φ_C——管件环焊缝焊接系数：100%RT检测则取1.0，不检测或抽检则取0.80

CA——腐蚀裕量，mm，若无此数据，则按设计工程实践，不锈钢取0，其他钢材取1.6

t_n——管件名义厚度，mm；

Y——计算系数，无量纲,其中D_i=D_o-2t；

——流动应力，Mpa，对于合金钢对于低碳钢其中Φ=min(Φ_L，Φ_C)；

P_L0——无缺陷管道塑性极限内压，MPa，计算公式：

其中R_o=D_o/2，R_i=R_o-t=D_o/2-t；

M_L0——纯弯矩下的塑性极限弯矩，N·mm，计算公式：

其中R_o=D_o/2，R_i=R_o-t=D_o/2-t；

M_A——持久载荷弯矩，N·mm，计算公式：

M_{A} = S [Φ_{C} - Φ_{L} \cdot \frac{D_{o} \times \max (0.9 t_{n} - CA - 0.5, t_{X})}{2 [D_{o} - 2 Y \cdot \max (0.9 t_{n} - CA - 0.5, t_{X})] \times (0.9 t_{n} - CA)}] \times \frac{π D_{o}^{3}}{32} (1 - α^{4})

其中α＝D_i/D_o；D_i=D_o-2t；t_X——管道成型最小允许厚度，碳素钢和低合金钢为3mm，高合金钢（如不锈钢）为2mm。

按当前壁厚计算是否发生失效，若计算结果不满足公式（1），同时也不满足公式（2）或（3），即认为发生了失效。

如果计算结果满足公式（1），则认为未发生失效。

如果计算结果满足公式（2）和（3），则认为未发生失效。

如果未发生失效，则进行步骤4。

表1计算是否失效时的输入计算参数

步骤4：开始预测计算，将实测壁厚减去年均腐蚀量（即年腐蚀速率），重复第3步，判定是否发生失效，直至发生失效，计算结束，循环次数即剩余寿命年限。

本实施例得到剩余寿命2.5年，小于期望使用寿命4年，进行材质升级报警；

步骤5：腐蚀速率通过步骤1得出。由于本实施例中，腐蚀速率0.5mm/年超过用户预设值（本例取0.35mm/年）且剩余寿命小于期望使用寿命，建议用户升级材质。

实施例二

基于球罐均匀腐蚀的剩余寿命的材质适应性评价方法

步骤1：根据腐蚀监测（定点测厚或在线腐蚀监测）或腐蚀分析得到腐蚀速率为0.3mm/年。

步骤2：选择容器类型为“球罐”，弹性失效准则按GB12337-1998《钢制球型储罐》标准计算，塑性失效准则按GB19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》标准计算。

步骤3：输入计算参数如表2，该球罐的期望使用寿命4年。

将球罐的相关参数，带入步骤2中的标准中，进行计算：

弹性失效准则：

\frac{p (D_{o} - t)}{4 tΦ} \leq S - - - (3)

塑性失效准则：

p \leq \frac{P_{L 0}}{1.8} - - - (4)

其中：

p——操作压力，MPa；

D_o——球罐(壳)外直径，mm；

t——球壳计算壁厚，mm；

S——操作温度下材料许用应力，Mpa；

Φ——双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：100%无损检测取1.00局部无损检测取0.85；

——流动应力，Mpa，对于合金钢对于低碳钢

{\overset{&OverBar;}{σ}}^{'} = 0.5 Φ (σ_{s} + σ_{b});

P_L0——无缺陷筒体塑性极限内压，MPa，计算公式：

其中R_o=D_o/2，R_i=R_o-t=D_o/2-t

按当前壁厚计算是否发生失效，若计算结果不满足公式（3），也不满足公式（4），即认为发生了失效。

如果计算结果满足公式（3），则认为未发生失效。

如果计算结果满足公式（4），则认为未发生失效。

未发生失效，则进行步骤4。

步骤4：开始预测计算，将实测壁厚减去年均腐蚀量，重复第3步，判定是否发生失效，直至发生失效，计算结束，循环次数即剩余寿命年限，本例得到剩余寿命3年，小于期望使用寿命4年，进行材质升级报警。

步骤5：腐蚀速率由步骤1得出。由于本实施例中的腐蚀速率为0.3mm/年超过用户预设值（本例取0.25mm/年）且剩余寿命小于期望使用寿命，建议用户升级材质。

表2输入计算参数

Claims

1.基于剩余寿命的材质适应性评价方法，其特征在于：

第一步：预测设备的剩余寿命；

第二步：将预测的剩余寿命与期望的寿命比较；

第三步：剩余寿命小于用户期望的寿命，进行报警，并进一步分析腐蚀速率；

第四步：腐蚀速率超过设防值，建议材料进行升级；

剩余寿命的预测过程如下：

第一步：测量设备的壁厚；

第二步：按当前实测壁厚计算是否发生失效，上述计算采用国家标准、行业标准，分别按弹性失效准则和塑性失效准则计算；

第三步：依据弹性失效准则和塑性失效准则进行的失效计算，只要其中之一未发生失效，则判定没有发生失效；没有失效，进行第四步；

第四步：将实测壁厚减去年均腐蚀量，重复第二步、第三步，判定是否发生失效；

第五步：重复第四步，直至发生失效，计算结束，循环次数即剩余寿命年限。

2.根据权利要求1所述的基于剩余寿命的材质适应性评价方法，其特征在于：管道剩余寿命计算按元件：直管、弯头、三通、异径管分别计算。

3.根据权利要求1所述的基于剩余寿命的材质适应性评价方法，其特征在于：容器剩余寿命计算按塔设备、球罐、卧式容器、立式容器分别计算。