高溫制氫轉化爐爐管在役檢測及評價

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(北京西管安通檢測技術有限責任公司，北京 100107)

制氫轉化爐爐管長期工作于高溫、高壓下，在富氫、硫和碳等工藝介質中運行，同時爐管內原料氣在催化劑作用下轉化為CO和H2等。苛刻的工藝條件易造成爐管高溫蠕變、材料劣化、應力腐蝕及滲碳等形式的失效破壞，尤其在運行過程中出現的過熱、過燒易使爐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，最終通過蠕變產生裂紋而導致爐管破裂[1]。另外，爐管內溫度不均勻、頻繁的啟停和升降溫速度過快也會造成很大的溫差應力，使爐管不均勻變形或嚴重彎曲及蠕變，從而造成爐管損壞[2]。因此，準確地檢測出爐管蠕變裂紋的發展情況，評價爐管損傷級別顯得尤為重要。

受某化工企業委托，對該廠的4套裝置200余根制氫轉化爐爐管管體進行超聲波檢測，并對其進行評價，判斷是否需要更換。

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

1 蠕變損傷及檢測方法

1.1 轉化爐爐管的蠕變損傷

轉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逐步發生變化，如碳化物的析出、合并以及長大，使得材料變脆，力學性能下降，進而出現蠕變空洞—空洞聯結—形成微觀裂紋—裂紋擴展等一系列蠕變損傷累積過程[3]。溫度及應力是影響蠕變損傷的主要因素。

當受力爐管局部過熱時，即會引起蠕變速度加快、持久強度下降、爐管直徑增大及壁厚減薄等現象，從而引起爐管發紅或局部出現紅斑，導致爐管破裂;另一方面，由于轉化爐內外壁存在溫差，從而產生熱應力，爐管受內壓形成的工作應力和自重應力亦會和熱應力疊加，加快蠕變速度。

1.2 檢測方法

轉化爐爐管材料是離心澆鑄的奧氏體不銹鋼，該狀態下材料晶粒粗大、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，用常規的超聲檢測方法無法實施檢測。

圖1 高溫爐管蠕變裂紋

根據轉化爐爐管的材料、服役條件、轉化爐結構、檢測實施環境及設備檢測作業的時間限制等條件，既要準確檢測評定爐管產生的缺陷，又要保證較高的檢測工作效率，當前技術條件下，可行的方法是采用超聲透射技術對爐管母材進行全面檢測[4]。利用該技術及其專用儀器設備和軟件對轉化爐爐管實施檢測評定，具體方法是采用兩對單收單發的探頭，沿爐管的兩個向火面由上而下對爐管進行掃描檢查，檢測結果自動記錄，從而實現制氫轉化爐爐管的現場超聲檢測。

2 檢測流程

2.1 前期準備工作

裝置停車后爐門保持打開狀態，使爐內溫度緩慢降至室溫。檢測前對空氣質量及有毒介質進行分析，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；其次準備耦合劑用水箱、水管及儀器用電源線；最后在爐膛內鋪設木板，保護耐火墻在檢測施工中不被損壞。

2.2 設計檢測參數

超聲波透射法檢測爐管的原理如圖2所示。發射探頭經水耦合后發射的聲波以一定角度進入管壁，由接收探頭接收聲波，最終根據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進行優選，以保證管壁中傳播的聲束位置得到控制，使超聲波信號能實際反映管壁的缺陷，特別是裂紋的發展情況。由于裂紋一般在距內壁1/3處(主要指厚壁管)出現并向內外擴展，根據不同的管徑及壁厚，一般聲束主軸距爐管內壁的長度(T)選在1/3至1/2壁厚處。

根據爐管規格選定相應的超聲波檢測試塊，探頭頻率為1 MHz，對爐管向火面高溫蠕變裂紋進行100%超聲波檢測并評判；標定爐管檢測起始信號，針對爐管規格材質設定合適的增益值；檢測期間如對某管段檢測信號有疑問，應進行重復檢查，確保采集穩定有效的信號值，以準確判斷爐管的質量狀況。

2.3 設定檢測參數并自動記錄超聲波形

圖3為超聲透射法檢測裝置及數據收集系統。現場檢測過程中根據爐管規格尺寸選定相應的超聲波探頭，探頭頻率為1 MHz，以水作為耦合劑。通過爬行器帶動探頭架，沿爐管從上到下運行，對爐管的向火面母材進行超聲透射法檢測。為了準確判斷爐管的損傷狀態，同時也便于記錄結果長期保存，該系統采用記錄儀自動記錄超聲波形。

圖3 爐管超聲檢測裝置及數據采集系統

2.4 爐管檢測數據分析及缺陷級別評定

檢測工程師最終根據采集的數據，分析爐管質量狀況，并根據記錄的超聲波形對爐管的缺陷或損傷級別進行評定。

爐管在運行數萬小時后，在靠近爐管內壁處由于蠕變損傷產生顯微空洞，并由此導致顯微裂紋萌生和發展。對于已出現明顯的微裂紋、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，可以根據聲波透過管壁能量的多少來評定爐管的損傷級別。

爐管損傷級別評定是在一定的系統靈敏度下，以透射波的形態和幅值為依據進行的，并應重視排除外界條件所造成的偽信號干擾。檢測評定依據為行業普遍認可的 《爐管評判準則》，將爐管蠕變損傷級別分為3級，按損傷的輕重程度分為A，B和C級。其中C級損傷最為嚴重，應立即予以更換。

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

3 檢測結果

1號裝置：A級管數量 “0”,B級管數量“66”,C級管數量“0”；

2號裝置：A級管數量“21”，B級管數量“99”，C級管數量“0”；

3號裝置：A級管數量“3”，B級管數量“7”，C級管數量“0”；

4號裝置：A級管數量“7”，B級管數量“3”，C級管數量“0”。

其中1號裝置靠近C級的B級管有8根，根據檢測結果和建議，受檢某化工企業立即采取措施將該8根爐管更換。

4 結論及建議

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

(2)大部分爐管有彎曲現象，說明爐膛燒嘴兩側溫度不均勻，建議工廠在開車前仔細調整爐管兩側燒嘴溫度，一般管排溫差應小于20 ℃，達到穩定平衡,調整爐管彈簧的正常膨脹系數以免爐管繼續彎曲。

(3)由于爐管已有彎曲現象，可使阻力降發生變化，需嚴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)由于爐管已發生彎曲，部分燒嘴角度應進行調整，以防火焰舔管導致爐管過燒而爆裂。

(5)在爐管服役過程中必須嚴格按照操作規程及有關條例進行平穩操作，切忌爐管在超溫、超壓的非正常工況下運行。爐管在運行中要特別加強工藝狀態的穩定控制，以防爐管突然爆裂。

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

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

[3] 鞏建鳴,涂善東,陳嘉南.制氫轉化爐爐管長期服役后損傷評價[J].南京化工大學學報,1991,21(1):49-52.

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