【石油化工行业标准(SH)】 炼油厂加热炉炉管壁厚计算

1CS175.180.20
备案号：J240-2003
中华人民共和国石油化工行业标准SH/T3037—2002
代替SH/r 3037—1991
炼油厂加热炉炉管壁厚计算
Calculation of heater-tube thickness in petroleum refineries(ISO13704:2001,Petroleumandnaturalgas industriesCalculation of heater-tube thickness in petroleum refineries, MOD)2003-02-09Www.bzxZ.net
2003-05-01
中华人民共和国国家经济贸易委员会实施
1范围
2术语和定义-
3一般设计资料
3.1．设计条件
3.2设计方法的限制
4设计
4.1概述·
4.2应力公式
4.3弹性设计（较低温度）
断裂设计【较高温度】
4. 5中间温度范围-
4.6最小许用厚度*
最小厚度和平均厚度
4.8当量管子金属温度
4. 9急弯弯管和弯管
许用应力
5.2弹性许用应力
断裂许用应力
5. 4断裂指数·
5.5屈服强度和抗拉强度
5.6拉森-米勒尔参数曲线
5.7极限设计金属温度：
5.8许用应力曲线
附录A（资料性附录）炉管剩余寿命的估算：次
附录B（资料性附录）辐射段最高管子金属温度的计算附录C（规范性附录）热应力限制（弹性范围）附录 D（资料性附录）SH/T 3037-2002 计算表附录E（规范性附录）应力曲线
附录F（资料性附录）腐蚀分数和温度分数的推导附录G（资料性附录）常用系数及钢号对照-附录 H (资料性附录)
附录1（资料性附录）
整据来源
计算示例
SH/T 3037-2002
一插页
SH/T 3037-2002
参考文献.
用词说明
附：条文说明
SH/T 3037—2002
本标准是根据中国石化[2001]建标字08B号文的通知，由中国石化团洛阳石油化工工程公司对原《石油化工管式炉炉管壁厚计算方法》SH/T3037--1991进行修订而成。本标准共分五章和九个附录。其中附录C、E为规范性附录，附录A、E、D、F、G、H、I为资料性附录.
本标准与《石油化工管式炉炉管壁厚计算方法》SH/T3037一1991相比，主要变化如下：一标准名称改为炼油厂加热炉炉管壁原计算：一增加了术语、一般设计资料二章和7个附录（附录A、C、D、P、G、H、I)：一增加了炉管材料对应的型号或类别：增加了9C1Mo-V（T9和P91）18Cr10Ni-Nb（347和347H）两种炉管材料的设计温度限制：
一增加了中碳钢、9Cr1Mo-V（T91和P91）两种炉管材料的应力曲线，对16Cr-12Ni-2Mo炉管材料的应力曲线按型号或类别细分为16Cr-12Ni-2Mo（316和316H）应力曲线和16Cr-12Ni-2Mo（316L）应力曲线：一增加了急湾弯管和弯管壁厚计算内容：—删去了SH/T 3037—1991中裂解炉、蒸汽转化炉管内流体传热系数的计算；本标准修改采用ISO13704：2001《石油和天然气工业——-炼油厂加热炉炉管壁厚计算》。本标准在实施过程中，如发现端要惨改补充之处，请将意见和有关资料提供给主编单位（地址：沔南省落市中州西路2？号，邮政编码：471003），以便今后修订时参考。本标准由主编单位负责解释，
本标准的主编单位：中国石化集团洛阳石油化工工程公司主要起草人：王德瑞张海燕车法海黎国磊f范围
炼油厂加热炉炉管壁厚计算
本标推规定了炼油厂加热炉新炉管壁厚的计算方法和设计准则。SH/T 3037—-2002
本标准适用于有腐蚀和无腐蚀环境两种情况下炼油厂火焰加热炉炉管（直接火焰加热、吸热管位于护膜内）的设计。本标准不适于外部配管的设计，，本标准未给出炉管报废厚度的推荐值，附录A给出了估算加热炉炉管剩余寿命的方法。2术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。2.1
实际内actuatinsideuiameter
新炉管的内径。
注：实际内径用十附录D中管子金温度和附录℃中热应力的计算。2. 2
腐蚀裕量
corrosion allowance
在元件的设计存命期间，因考志材料损失而增加的材料厚度。2.3
设计寿命desigulife
用作炉觉设计依据的操作时间。注：设计寿命不一定与报废时间或更换时间相同。2. 4
设计金属温度desigumetaltemperature7
用于设计的炉管金属温度或管壁温度。注：该温度是由计算得出的最高管子金属温度（附录自中的T，）或当量管子金属温度（2.了中的T。）加上适当的温度裕垒（见2.15）确定的，热强度计算最高管子金属湿度的方法包括在附录B中，当采用当量管子金属温度时，微离探作温度可能于设计金照温度。2. 5
弹性许用应力
felasticallowablestress
SH/T3037--2002
在弹性范围（见5.2）内的许用应力。注：有关具有纵向焊继的管子的资料见3,2.3，2.6
弹性设计压力 elasticdesignpresstrePet
加热炉盘管短期内可能承受的最高压力。注；该压力通常与安垒阀定压，泵的关闭压力等有关。2.7
当量管子金属温度
eguivalent tube metal temperatureTen
在给定时间内，与皇线性变化的金属温度产生相同变破坏的计算的恒定金属温度（见4.）。2.8
inside diameter
用于设计计算的去掉腐蚀裕量后的内径。注，铸造管内径是去掉蔬松层和腐蚀裕盘后的内径2. 9
最小厚度
inimum thickness
新炉管要求的最小厚度，包括各种适当的裕量。2.10
outsidediameter
新炉管的外径。
断裂许用应力
rupture allowable stress
在端变一断裂范内的许用应力（见4.4)。注，对有关具有纵向链管子的资料见3.2.3.2.12
断裂设计压力
frupturedesig pressure
盘管段在正常操作期间的最高操作压力。2
断裂指数ruptureexponent
用于端变一断裂范围设计的参数，见附录E中的照。2.14
stress thlekness
应力厚度
采用许用应力由公式计算的厚度，该厚度不包括所有厚度裕量。2.15
温度裕量
temperature allowance
SH/T 3037--2002
是设计金属温度的一部分，它考虑了工艺气体或烟气的不均勾分配、操作中的未知因案及设计的不确定因素等。
注：温度裕盘加上计算得出的最高管子金属温度或当里管子金属温度，可得出设计金属温度（见2.4)3一般设计资料
3.1设计条件
应确定常用设计参数（设计压力、设计流体温度、腐蚀裕录和炉管材质）。另外，尚应提供下列资料：
炉管设计寿命：
是否采用当量温度概念。如果需要，应提供操作初期和操作末期的操作条件：温度裕量，若有时应提出：
腐蚀分数（如果与图1所给数据不同时）：e
是否采用弹性范围热应力限制；如果未提供上述a)～e)中的任一项，则应采用下列数据：f设计寿命为 100 000h;
设计金属温度采用最高金展温度（不采用当量温度的概念）：h)
温度裕量取15℃：
腐蚀分数按图1查出：
j采用弹性范函热应力限制。
SH/T 30372002
8cA —腐蚀裕量：
D。外径:
P—断装设计压力：
9,—断裂许用应力
R—断裂指数。
图 1 腐蚀分数
替数B
3.2设计方法的限制
SH7T 3037---2002
3.2.1许用应力仅按屈服强度和断裂强度考患，未考虑塑性应变或端变应变。在一些应用中采用这些许用应力可能会产生小的永久性变形，但这些小的变形不会影响炉管的安全或操作能力。3.2.2未考虑不利环境的影响，如石墨化、渗碳或漫蚀。由氢浸蚀产生的限制可由AP1RP94115中的纳尔逊曲线得出。
3.2.3这些设计方法是根据无缝管推导出来的，当采用有纵向焊链的管子时，许用应力值应乘以适当的焊缝系数。环向焊缝不用焊继系数。3.2.4这些设计方法是用薄壁管（管子最小厚度与外径之比（min/D。）小于0.15）推导出来的，对厚壁符的设计需另作考虑。
3.2.5未考患交变压力或交变热荷载的影响。3.2.6设计荷载仅包括内部压力。热应力限制在附录C中给出。由质量、支架、端部连接等引起的应力限制果在本标准中讨论，
3.2.7在5.6中的拉森-米勒尔参数曲线，人部分不是拉森-米勒尔的传统曲线，而是按附录H.3所述由100000h断裂强度推导出来的。因此，这些曲线不适用于估算设计寿命小于20000h或大于200 000h的断裂强度。
4设计
4.1概述
在热油炉内300℃C下T.作的碳钢管子的作状态与在催化重整炉内600℃下工作的铬钼钢管子的工作状态是有根本区别的。在较高温度下工作的钢材，即使应力低于届服强度也会发生螨变或永久变形。当管子金属温度离到足以有显著的烯变效果，其至在腾蚀或氧化还未起到作用时，管子最终也会由于变断裂而失效。对汀在较低温度下工作的锅材，蠕变效桌不存在或可忽略。经验表明，在这种情况下，除存在蚀或氧化作用外，管子将可长期使用下去。因为在这两种温度下两种材料的性能有着根本区别，所以炉管有两种不同的设计考方法：即“弹性设计”和“端变一断裂设计”。弹性设计是在较低温度下的弹性范围内的设计，其许用应力是根据屈服强度确定的（见4.3）。烯变一断裂设计（以下简称“断裂设计”）是在较高温度下的烯变一断裂范围内的设计，其许用应力是根据断裂强度确定的（见4.4）。区分炉管弹性范围和端变一断裂范围的温度不是单一的数值，而是根据合金确定的一个温度范围。对碳钢，该温度范围的下限约为425℃。对347型不锈钢，该温度范圈的下限约为590℃。影响设计范周的其它考虑还包括弹性设计压力、斯裂设计压力、设计寿命和魔蚀裕量。断裂设计压力通带小于弹性设计压力。区分这两种压力的特征就是维持压力时间的相对长短。断裂设计压力是一个能相对均匀地保持数年的长期莅载条件。弹性设计压力通常是短期荷载条件，典型的是数小时，也可能是数天。由于长期操作或应力作用的结果引起烯变破坏积累，故在断裂设计公式中使用断裂设计压力。为防止在最高压力期间管内应力过大，在弹性设计公式中使用弹性设计压力。长期操作时，炉管应按承受断裂设计压力设计。如果在一个操作周期内，正常操作压力增大，应将最高压力作为断裂设计压力。在接近或高于弹性许用应力和断裂许用应力曲线交又点的温度范围内，应使用弹性设计和断裂设计两种公式，其中m的较大值作为设计值采用（见4.5）。计算的示例见附录1。炉管最小厚度及当量管子金属温度计算汇总在计算表（见附录D）中。新管的最小许用厚度见表1。
SH/T 3037—2002
本章给出的主要设计公式汇总在表2中。4.2应力公式
在弹性范围和蜗变一断裂范围两个范围内，设计公式都是握据平均直径公式求管子应力。在弹性范围内，采用弹性设计压力（P）和弹性许用应力（α）。在蟠变一断裂范围内，则采用断裂设计压力（P）和断裂许用应力（）
平均宣径公式可以准确估计薄壁管（薄壁管定义见3.2.4）内整个管壁产生届服时的压力，平均直径公式也提供了受压管的螨变一断裂和利单轴试样之间的准确关系，所以，它是在弹性范围和蟠变一断裂范围两种条件下的理想应用公式6.（m:11。计算应力的平均直径公式如下：D
式中：
应力，MPa：
压力，MPa;
外径，mm
包括腐蚀裕量在内的内径：mm：厚度，mm
可由公式（1）推导出4.3和4.4中的应力厚度（3。）公式。4.3弹性设计（较低温度）
弹性设计基础为：腐蚀裕量用尽之后，接近设计寿命末期时.防止在最高压力状态下（压力接近P）因破裂而损坏。在弹性设计中，。和5㎡（见4.6）按下列公式计算：PD。或。-
2aa+Pe
2ae-pel
Omin = , +cA
式中：
去掉薦蚀裕罩后的内径，mm;
设计金属温度下的弹性许用应力，MPa:2)
摘蚀裕量，mm。
廣蚀裕量（5c。）应根据所选炉管材料的腐蚀速率和设计寿命，按下式计算，如无腐蚀速率数据时，可按表 G. 1 选取，最小值不应小于表 G. I 的要求。SCA =POnDL
武中：
Peotr—腐蚀速率，mm/a；
IDL——设计寿命，a。
4.4断裂设计（较离温度）
断裂设计基础为：在设计寿命期间，防止由于蟠变一断裂而损坏。在断裂设计中，6。和6（见4.6）按下列公式计算：
P,D。或多=
2a, + pr
m =+ feorOcA
式中：
设计金属温度及设计寿命下的断裂许用应力，MPa一磨蚀分数，为图1中B和n的函数：fear
B = OcA / 5。 t
一设计金展温度下的断裂指数（见附录E中图示)。SH/T3037—2002
腐蚀分数的推导见附录F，在推导过程中，认为腐蚀裕盘减小了应力，相应增加了断裂寿命。该公式适用于炉管，但在特殊条件下，如用户要求更保守的设计，则膀蚀分数可取1（f=1)。4. 5 中间温度范围
在温度接近或高于附录E图中。。和，曲线交点时，可以按弹性，也可以按断裂考患设计。在这个温度范围内，应采用弹性设计和断裂设计两种设计，取的较大值作为设计值，4.6最小许用厚度
新炉管（包括腐蚀裕量）的最小厚度（5mm）不应小于表1的规定。对铁素体钢，表中数值为Sch，40平均厚度管子的最小许用厚度：对奥氏体钢，表中数值为Sch.10S平均厚度臂子的最小许用厚度（表5给出了铁素体合金和奥氏体合金的种类，附录G.5给出了国产炉管钢号与ASTM钢号对照表）。最小许用厚度为平均厚度的0.875倍。这些最小值是根据工业实践确定的。最小许用厚度不是在役管子的报废厚度或更换厚度.
表1新炉管最小许用厚度
最小厚度（）
炉管外径（）
铁体钢
奥氏体钢
SH/T3037—2002
4.7最小厚度和平均厚度
最小厚度（8）按4.3和4.4的规定计算的。根据最小厚度订货的管子，平均厚度应较大，原度偏差在GB9948一1988和ASTM的各个标准中均有规定、在附录E图中引用的大部分ASTM标准中，热轧管的壁厚偏差为最小厚度的+遇%，冷拔管为最小厚度的α%，即分别相当于平均厚度的±12.3%和±9.9%。而GB9948—1988和附录E中其它的ASTM标准，则要求最小厚度必须人于平均厚度的0.875倍，相对于平均厚度偏差为±12.5%。取偏差[-2%，采购最小厚度为 12. 7mm 的管子，其平均厚度应为;(12. 7)(1 +0. 28/2) 14. 5mm
要得到最小序度为12.7mm的管子，按平均厚度偏差为±12.5%订货，其平均厚度应规定为；(12. 7)/ (0. 875) =14. 5mm
所有规定的厚度均应指明是最小厚度还是平均厚度。用于确定最小厚度和平均厚度的偏差，应为所订管子相应标准中规定的偏差。4.8当量管子金属温度
在蜥变一断裂范围内，破坏的积累是实际操作温度的函数。应用中，操作初期和未期的金属温度有很大的差别，按最高温度设计可能会偏大，因为实际操作温度通常都低于最高温度。对于从操作初期（T）到操作未期（e。）呈线性变化的金属温度，可按下述方法计弊当量管子金属温度（T。）。在当量替子金属温度下操作的管子的蠕变破坏与从操作初期温度到操作末期温度下操作的管了的蠕变破坏相同。
Teg =Tror + fr(Taor -Trr)
式中：
T.当量管子金属温度，℃：
Tu操作初期管子金属温度，℃：Tear—操作末期管子金属温度，C：斤—温度分数，在图2中给出。
温度分数的推导过程见附录F。温度分数是V和N两个参数的函数：ar*
式中；
在T温度下的断裂指数：
AT*操作周期内的温度变化，K（“R)：AT*-Teor -To
To=T+273K（或Tor=T+460°R）
自然对数；
操作周期内的厚度变化，mm：
Aoperop
ear腐蚀速率，mm/a
操作周期，a
初期厚度，mm；
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