制氫轉化爐爐管檢測技術的應用研究

許華峰，許勝凱，張強，單小晶，曹勇飛

（山東天弘化學有限公司，山東 東營 257000）

在石油、化工企業中，制氫轉化爐是制氫裝置核心設備，爐管承受高溫(850 ～1000℃)、高壓(2 ～5MPa)，服役條件惡劣。一臺制氫轉化爐中，轉化爐管數量在幾根至幾百根，任何一根爐管的損壞，均將迫使整個裝置停車，同時造成一系列的連鎖反應，除造成巨大的經濟損失外，還極易引起火災、爆炸等安全事故。因此，對高溫爐管進行專業檢測，綜合評估檢測數據和安全評價，提前做到正確的預判、預測和預防，是保證其安全運行的重要手段。

檢測項目一般分為宏觀檢測、智能超聲波檢測、手動超聲檢測、蠕脹測量、金相檢測、硬度檢測、滲透檢測(不需破壞爐管)等。實驗室檢驗一般要做化學成分檢測、滲透檢測、硬度測量、常溫拉伸、高溫短時、高溫持久、斷裂力學、高倍金相、斷口分析、掃描電鏡+能譜分析、微觀硬度檢測、磁導率檢測等(需破壞爐管)。

1 爐管制造過程中存在檢驗檢測手段不完善

爐管制造過程中，遵循制造加工規范，即離心鑄造完成轉化管管段后，在檢驗管段時采取氣密、水壓、ET、熒光或PT、內窺鏡等檢測手段，此檢驗的目的是檢驗轉化管管段是否存在針孔、裂紋、內表面裂紋等穿透性鑄造缺陷。但是，對于爐管內部的隱形缺陷是無法進行檢測的，如一些內部夾渣或者高溫絡合物存在于爐管管壁內，采用以上常規檢測手段一般是檢測不出來的。

2 高溫爐管的失效形式

轉化爐爐管壁溫分布，高溫段在下部，低溫段在上部。一般認為溫度高，爐管易損壞，而實際上，爐管損壞大多出現在中上部, 介質溫度在600 ～800℃，最易損壞。這是由于爐管內外壁溫度差大所致膨脹不一樣，產生熱應力大，易造成爐管損壞；爐管下部雖然溫度高，但內外壁溫差小，產生熱應力小，反而損壞概率偏小，具體見爐管溫度分布圖。

圖1 爐管溫度分布示意圖

因此，我們對已服役100000h 的完整轉化爐爐管進行了壽命評價和損傷分布分析，通過一系列實驗和有限元模擬得出結果，爐管中的最大損傷位置位于距離頂部8 ～9m 的中下部位置，相同條件下，此處剩余壽命比上部3m 位置降低20%。具體示意圖見圖2。

圖2 服役100000h 爐管蠕變損傷分布圖

a 為現場爐管示意圖，爐內長度約12m；b 為溫度沿爐管高度的分布；c 為有限元模擬服役100000h 后，爐管損傷分布圖。造成高溫爐管失效的因素大致可分為以下三大類。

（1）材質劣化或材質缺陷引起的失效：σ 相脆化、475℃脆化、材料組織劣化、材質冶金鑄造缺陷等。

（2）腐蝕引起的失效：氧化、電化學腐蝕、H 腐蝕、Cl離子腐蝕、S 腐蝕、V 腐蝕及N 化等。

（3）外應力或熱應力引起的失效：蠕變變形、蠕變斷裂、催化劑粉化、熱疲勞破壞、過熱、熱脹冷縮不均勻等。

3 轉化管在線檢測和壽命分析的技術方案

3.1 智能爬行超聲檢測

爐管承受高溫和應力的聯合作用，隨著服役時間的增加，爐管會發生蠕變現象，蠕變發展到一定程度就會在組織薄弱處形成微孔洞，孔洞的逐漸長大、連接就形成了微裂紋，在一定壓力的作用下，裂紋逐漸擴展到一定程度時，就會失穩擴展導致爐管破裂。

圖3 檢測設備工作中

3.2 蠕脹檢測

爐管服役過程中，在高溫高壓等多耦合因素聯合作用下，爐管會發生尺寸變化，蠕脹超過一定程度時，使爐管內壁首先產生空洞或裂紋，無法安全服役，因此要對爐管的蠕脹狀況進行測量評估，是正確判定爐管安全服役的重要手段。蠕脹連續測量系統，在超聲檢測的同時就能記錄爐管外徑尺寸變化情況，不需要搭建腳手架，同時自動識別焊縫，精度高，無漏檢。

4 結語

為了確保制氫轉化爐爐管正常和安全服役，需要對爐管進行安全檢測評估，以預防轉化管在服役過程中突發泄漏、開裂等安全事故。