高溫制氫轉(zhuǎn)化爐爐管在役檢測及評(píng)價(jià)

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(北京西管安通檢測技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100107)

制氫轉(zhuǎn)化爐爐管長期工作于高溫、高壓下，在富氫、硫和碳等工藝介質(zhì)中運(yùn)行，同時(shí)爐管內(nèi)原料氣在催化劑作用下轉(zhuǎn)化為CO和H2等?？量痰墓に嚄l件易造成爐管高溫蠕變、材料劣化、應(yīng)力腐蝕及滲碳等形式的失效破壞，尤其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的過熱、過燒易使?fàn)t管材料的碳化物快速析出并聚集、長大，或者使組織中σ相析出，降低爐管的高溫綜合性能，最終通過蠕變產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致爐管破裂[1]。另外，爐管內(nèi)溫度不均勻、頻繁的啟停和升降溫速度過快也會(huì)造成很大的溫差應(yīng)力，使?fàn)t管不均勻變形或嚴(yán)重彎曲及蠕變，從而造成爐管損壞[2]。因此，準(zhǔn)確地檢測出爐管蠕變裂紋的發(fā)展情況，評(píng)價(jià)爐管損傷級(jí)別顯得尤為重要。

受某化工企業(yè)委托，對該廠的4套裝置200余根制氫轉(zhuǎn)化爐爐管管體進(jìn)行超聲波檢測，并對其進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷是否需要更換。

爐管采用高鉻鎳合金鋼S31008(06Cr25Ni20)離心澆鑄。被檢轉(zhuǎn)化爐爐管在壁溫740～960 ℃、壓力1.4～2.7 MPa的工況下連續(xù)工作，同時(shí)還受到管內(nèi)介質(zhì)及管外煙氣的侵蝕，服役條件惡劣。科學(xué)檢測、合理維護(hù)對延長轉(zhuǎn)化爐爐管的使用壽命和安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 蠕變損傷及檢測方法

1.1 轉(zhuǎn)化爐爐管的蠕變損傷

轉(zhuǎn)化爐爐管材料通常采用離心澆鑄的奧氏體不銹鋼。隨著高溫服役過程的延長，奧氏體不銹鋼組織會(huì)逐步發(fā)生變化，如碳化物的析出、合并以及長大，使得材料變脆，力學(xué)性能下降，進(jìn)而出現(xiàn)蠕變空洞—空洞聯(lián)結(jié)—形成微觀裂紋—裂紋擴(kuò)展等一系列蠕變損傷累積過程[3]。溫度及應(yīng)力是影響蠕變損傷的主要因素。

當(dāng)受力爐管局部過熱時(shí)，即會(huì)引起蠕變速度加快、持久強(qiáng)度下降、爐管直徑增大及壁厚減薄等現(xiàn)象，從而引起爐管發(fā)紅或局部出現(xiàn)紅斑，導(dǎo)致爐管破裂;另一方面，由于轉(zhuǎn)化爐內(nèi)外壁存在溫差，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，爐管受內(nèi)壓形成的工作應(yīng)力和自重應(yīng)力亦會(huì)和熱應(yīng)力疊加，加快蠕變速度。

1.2 檢測方法

轉(zhuǎn)化爐爐管材料是離心澆鑄的奧氏體不銹鋼，該狀態(tài)下材料晶粒粗大、表面粗糙，其失效形式為蠕變裂紋的形成及擴(kuò)展，如圖1所示。超聲波檢測大晶粒奧氏體不銹鋼,遇到的兩個(gè)主要問題是樹枝狀晶粒粗大和晶粒的不同取向。由于聲阻抗的變化，這種各向異性的材料晶界散射使較大部分能量耗散在晶界上，用常規(guī)的超聲檢測方法無法實(shí)施檢測。

圖1 高溫爐管蠕變裂紋

根據(jù)轉(zhuǎn)化爐爐管的材料、服役條件、轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)、檢測實(shí)施環(huán)境及設(shè)備檢測作業(yè)的時(shí)間限制等條件，既要準(zhǔn)確檢測評(píng)定爐管產(chǎn)生的缺陷，又要保證較高的檢測工作效率，當(dāng)前技術(shù)條件下，可行的方法是采用超聲透射技術(shù)對爐管母材進(jìn)行全面檢測[4]。利用該技術(shù)及其專用儀器設(shè)備和軟件對轉(zhuǎn)化爐爐管實(shí)施檢測評(píng)定，具體方法是采用兩對單收單發(fā)的探頭，沿爐管的兩個(gè)向火面由上而下對爐管進(jìn)行掃描檢查，檢測結(jié)果自動(dòng)記錄，從而實(shí)現(xiàn)制氫轉(zhuǎn)化爐爐管的現(xiàn)場超聲檢測。

2 檢測流程

2.1 前期準(zhǔn)備工作

裝置停車后爐門保持打開狀態(tài)，使?fàn)t內(nèi)溫度緩慢降至室溫。檢測前對空氣質(zhì)量及有毒介質(zhì)進(jìn)行分析，確保入爐工作人員的安全。車間人員交出裝置后，首先配備爐膛安全照明裝置；其次準(zhǔn)備耦合劑用水箱、水管及儀器用電源線；最后在爐膛內(nèi)鋪設(shè)木板，保護(hù)耐火墻在檢測施工中不被損壞。

2.2 設(shè)計(jì)檢測參數(shù)

超聲波透射法檢測爐管的原理如圖2所示。發(fā)射探頭經(jīng)水耦合后發(fā)射的聲波以一定角度進(jìn)入管壁，由接收探頭接收聲波，最終根據(jù)接收到超聲波的能量大小即聲波衰減的大小來判定爐管的損傷級(jí)別。

1—入射聲波；2—透射聲波；3—聲束主軸；4—管材；T—聲束主軸距爐管內(nèi)壁的長度

為了盡量提高檢測的靈敏度和分辨力，要對聲波的入射角α進(jìn)行優(yōu)選，以保證管壁中傳播的聲束位置得到控制，使超聲波信號(hào)能實(shí)際反映管壁的缺陷，特別是裂紋的發(fā)展情況。由于裂紋一般在距內(nèi)壁1/3處(主要指厚壁管)出現(xiàn)并向內(nèi)外擴(kuò)展，根據(jù)不同的管徑及壁厚，一般聲束主軸距爐管內(nèi)壁的長度(T)選在1/3至1/2壁厚處。

根據(jù)爐管規(guī)格選定相應(yīng)的超聲波檢測試塊，探頭頻率為1 MHz，對爐管向火面高溫蠕變裂紋進(jìn)行100%超聲波檢測并評(píng)判；標(biāo)定爐管檢測起始信號(hào)，針對爐管規(guī)格材質(zhì)設(shè)定合適的增益值；檢測期間如對某管段檢測信號(hào)有疑問，應(yīng)進(jìn)行重復(fù)檢查，確保采集穩(wěn)定有效的信號(hào)值，以準(zhǔn)確判斷爐管的質(zhì)量狀況。

2.3 設(shè)定檢測參數(shù)并自動(dòng)記錄超聲波形

圖3為超聲透射法檢測裝置及數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)?，F(xiàn)場檢測過程中根據(jù)爐管規(guī)格尺寸選定相應(yīng)的超聲波探頭，探頭頻率為1 MHz，以水作為耦合劑。通過爬行器帶動(dòng)探頭架，沿爐管從上到下運(yùn)行，對爐管的向火面母材進(jìn)行超聲透射法檢測。為了準(zhǔn)確判斷爐管的損傷狀態(tài)，同時(shí)也便于記錄結(jié)果長期保存，該系統(tǒng)采用記錄儀自動(dòng)記錄超聲波形。

圖3 爐管超聲檢測裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.4 爐管檢測數(shù)據(jù)分析及缺陷級(jí)別評(píng)定

檢測工程師最終根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，分析爐管質(zhì)量狀況，并根據(jù)記錄的超聲波形對爐管的缺陷或損傷級(jí)別進(jìn)行評(píng)定。

爐管在運(yùn)行數(shù)萬小時(shí)后，在靠近爐管內(nèi)壁處由于蠕變損傷產(chǎn)生顯微空洞，并由此導(dǎo)致顯微裂紋萌生和發(fā)展。對于已出現(xiàn)明顯的微裂紋、宏觀裂紋及空洞的情況，選用超聲波檢測是行之有效的方法。鑒于超聲波對面狀缺陷的敏感性，可以根據(jù)聲波透過管壁能量的多少來評(píng)定爐管的損傷級(jí)別。

爐管損傷級(jí)別評(píng)定是在一定的系統(tǒng)靈敏度下，以透射波的形態(tài)和幅值為依據(jù)進(jìn)行的，并應(yīng)重視排除外界條件所造成的偽信號(hào)干擾。檢測評(píng)定依據(jù)為行業(yè)普遍認(rèn)可的 《爐管評(píng)判準(zhǔn)則》，將爐管蠕變損傷級(jí)別分為3級(jí)，按損傷的輕重程度分為A，B和C級(jí)。其中C級(jí)損傷最為嚴(yán)重，應(yīng)立即予以更換。

值得注意的是，在檢測過程中，爐管組織的不均勻性也會(huì)影響超聲信號(hào)的幅值。因此，以上級(jí)別的判定是組織和裂紋影響的綜合結(jié)果，特別是新爐管使用初期，這種影響尤為明顯。

3 檢測結(jié)果

1號(hào)裝置：A級(jí)管數(shù)量 “0”,B級(jí)管數(shù)量“66”,C級(jí)管數(shù)量“0”；

2號(hào)裝置：A級(jí)管數(shù)量“21”，B級(jí)管數(shù)量“99”，C級(jí)管數(shù)量“0”；

3號(hào)裝置：A級(jí)管數(shù)量“3”，B級(jí)管數(shù)量“7”，C級(jí)管數(shù)量“0”；

4號(hào)裝置：A級(jí)管數(shù)量“7”，B級(jí)管數(shù)量“3”，C級(jí)管數(shù)量“0”。

其中1號(hào)裝置靠近C級(jí)的B級(jí)管有8根，根據(jù)檢測結(jié)果和建議，受檢某化工企業(yè)立即采取措施將該8根爐管更換。

4 結(jié)論及建議

(1)由于檢測系統(tǒng)本身的局限性，不檢測爐管焊縫及爐管背火面，對爐管環(huán)向裂紋也不作評(píng)價(jià)。

(2)大部分爐管有彎曲現(xiàn)象，說明爐膛燒嘴兩側(cè)溫度不均勻，建議工廠在開車前仔細(xì)調(diào)整爐管兩側(cè)燒嘴溫度，一般管排溫差應(yīng)小于20 ℃，達(dá)到穩(wěn)定平衡,調(diào)整爐管彈簧的正常膨脹系數(shù)以免爐管繼續(xù)彎曲。

(3)由于爐管已有彎曲現(xiàn)象，可使阻力降發(fā)生變化，需嚴(yán)格測試爐管觸媒的阻力降及防止觸媒搭橋造成爐管局部過燒而爆裂。

(4)由于爐管已發(fā)生彎曲，部分燒嘴角度應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，以防火焰舔管導(dǎo)致爐管過燒而爆裂。

(5)在爐管服役過程中必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程及有關(guān)條例進(jìn)行平穩(wěn)操作，切忌爐管在超溫、超壓的非正常工況下運(yùn)行。爐管在運(yùn)行中要特別加強(qiáng)工藝狀態(tài)的穩(wěn)定控制，以防爐管突然爆裂。

[1] 王漢軍,薄錦航,張國良,等.制氫轉(zhuǎn)化爐爐管失效分析[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2004(3):23-26.

[2] 張玉良.蒸汽轉(zhuǎn)化爐的檢查和維修[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2006,27(6):17-19.

[3] 鞏建鳴,涂善東,陳嘉南.制氫轉(zhuǎn)化爐爐管長期服役后損傷評(píng)價(jià)[J].南京化工大學(xué)學(xué)報(bào),1991,21(1):49-52.

[4] 鄭桂平,蔣自力,淡斌.制氫轉(zhuǎn)化爐管蠕變裂紋的超聲波檢測[J].裝備維修技術(shù),2001(4):16-18.