高温制氢转化炉炉管在役检测及评价

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(北京西管安通检测技术有限责任公司，北京 100107)

制氢转化炉炉管长期工作于高温、高压下，在富氢、硫和碳等工艺介质中运行，同时炉管内原料气在催化剂作用下转化为CO和H2等。苛刻的工艺条件易造成炉管高温蠕变、材料劣化、应力腐蚀及渗碳等形式的失效破坏，尤其在运行过程中出现的过热、过烧易使炉管材料的碳化物快速析出并聚集、长大，或者使组织中σ相析出，降低炉管的高温综合性能，最终通过蠕变产生裂纹而导致炉管破裂[1]。另外，炉管内温度不均匀、频繁的启停和升降温速度过快也会造成很大的温差应力，使炉管不均匀变形或严重弯曲及蠕变，从而造成炉管损坏[2]。因此，准确地检测出炉管蠕变裂纹的发展情况，评价炉管损伤级别显得尤为重要。

受某化工企业委托，对该厂的4套装置200余根制氢转化炉炉管管体进行超声波检测，并对其进行评价，判断是否需要更换。

炉管采用高铬镍合金钢S31008(06Cr25Ni20)离心浇铸。被检转化炉炉管在壁温740～960 ℃、压力1.4～2.7 MPa的工况下连续工作，同时还受到管内介质及管外烟气的侵蚀，服役条件恶劣。科学检测、合理维护对延长转化炉炉管的使用寿命和安全生产具有重要意义。

1 蠕变损伤及检测方法

1.1 转化炉炉管的蠕变损伤

转化炉炉管材料通常采用离心浇铸的奥氏体不锈钢。随着高温服役过程的延长，奥氏体不锈钢组织会逐步发生变化，如碳化物的析出、合并以及长大，使得材料变脆，力学性能下降，进而出现蠕变空洞—空洞联结—形成微观裂纹—裂纹扩展等一系列蠕变损伤累积过程[3]。温度及应力是影响蠕变损伤的主要因素。

当受力炉管局部过热时，即会引起蠕变速度加快、持久强度下降、炉管直径增大及壁厚减薄等现象，从而引起炉管发红或局部出现红斑，导致炉管破裂;另一方面，由于转化炉内外壁存在温差，从而产生热应力，炉管受内压形成的工作应力和自重应力亦会和热应力叠加，加快蠕变速度。

1.2 检测方法

转化炉炉管材料是离心浇铸的奥氏体不锈钢，该状态下材料晶粒粗大、表面粗糙，其失效形式为蠕变裂纹的形成及扩展，如图1所示。超声波检测大晶粒奥氏体不锈钢,遇到的两个主要问题是树枝状晶粒粗大和晶粒的不同取向。由于声阻抗的变化，这种各向异性的材料晶界散射使较大部分能量耗散在晶界上，用常规的超声检测方法无法实施检测。

图1 高温炉管蠕变裂纹

根据转化炉炉管的材料、服役条件、转化炉结构、检测实施环境及设备检测作业的时间限制等条件，既要准确检测评定炉管产生的缺陷，又要保证较高的检测工作效率，当前技术条件下，可行的方法是采用超声透射技术对炉管母材进行全面检测[4]。利用该技术及其专用仪器设备和软件对转化炉炉管实施检测评定，具体方法是采用两对单收单发的探头，沿炉管的两个向火面由上而下对炉管进行扫描检查，检测结果自动记录，从而实现制氢转化炉炉管的现场超声检测。

2 检测流程

2.1 前期准备工作

装置停车后炉门保持打开状态，使炉内温度缓慢降至室温。检测前对空气质量及有毒介质进行分析，确保入炉工作人员的安全。车间人员交出装置后，首先配备炉膛安全照明装置；其次准备耦合剂用水箱、水管及仪器用电源线；最后在炉膛内铺设木板，保护耐火墙在检测施工中不被损坏。

2.2 设计检测参数

超声波透射法检测炉管的原理如图2所示。发射探头经水耦合后发射的声波以一定角度进入管壁，由接收探头接收声波，最终根据接收到超声波的能量大小即声波衰减的大小来判定炉管的损伤级别。

1—入射声波；2—透射声波；3—声束主轴；4—管材；T—声束主轴距炉管内壁的长度

为了尽量提高检测的灵敏度和分辨力，要对声波的入射角α进行优选，以保证管壁中传播的声束位置得到控制，使超声波信号能实际反映管壁的缺陷，特别是裂纹的发展情况。由于裂纹一般在距内壁1/3处(主要指厚壁管)出现并向内外扩展，根据不同的管径及壁厚，一般声束主轴距炉管内壁的长度(T)选在1/3至1/2壁厚处。

根据炉管规格选定相应的超声波检测试块，探头频率为1 MHz，对炉管向火面高温蠕变裂纹进行100%超声波检测并评判；标定炉管检测起始信号，针对炉管规格材质设定合适的增益值；检测期间如对某管段检测信号有疑问，应进行重复检查，确保采集稳定有效的信号值，以准确判断炉管的质量状况。

2.3 设定检测参数并自动记录超声波形

图3为超声透射法检测装置及数据收集系统。现场检测过程中根据炉管规格尺寸选定相应的超声波探头，探头频率为1 MHz，以水作为耦合剂。通过爬行器带动探头架，沿炉管从上到下运行，对炉管的向火面母材进行超声透射法检测。为了准确判断炉管的损伤状态，同时也便于记录结果长期保存，该系统采用记录仪自动记录超声波形。

图3 炉管超声检测装置及数据采集系统

2.4 炉管检测数据分析及缺陷级别评定

检测工程师最终根据采集的数据，分析炉管质量状况，并根据记录的超声波形对炉管的缺陷或损伤级别进行评定。

炉管在运行数万小时后，在靠近炉管内壁处由于蠕变损伤产生显微空洞，并由此导致显微裂纹萌生和发展。对于已出现明显的微裂纹、宏观裂纹及空洞的情况，选用超声波检测是行之有效的方法。鉴于超声波对面状缺陷的敏感性，可以根据声波透过管壁能量的多少来评定炉管的损伤级别。

炉管损伤级别评定是在一定的系统灵敏度下，以透射波的形态和幅值为依据进行的，并应重视排除外界条件所造成的伪信号干扰。检测评定依据为行业普遍认可的 《炉管评判准则》，将炉管蠕变损伤级别分为3级，按损伤的轻重程度分为A，B和C级。其中C级损伤最为严重，应立即予以更换。

值得注意的是，在检测过程中，炉管组织的不均匀性也会影响超声信号的幅值。因此，以上级别的判定是组织和裂纹影响的综合结果，特别是新炉管使用初期，这种影响尤为明显。

3 检测结果

1号装置：A级管数量 “0”,B级管数量“66”,C级管数量“0”；

2号装置：A级管数量“21”，B级管数量“99”，C级管数量“0”；

3号装置：A级管数量“3”，B级管数量“7”，C级管数量“0”；

4号装置：A级管数量“7”，B级管数量“3”，C级管数量“0”。

其中1号装置靠近C级的B级管有8根，根据检测结果和建议，受检某化工企业立即采取措施将该8根炉管更换。

4 结论及建议

(1)由于检测系统本身的局限性，不检测炉管焊缝及炉管背火面，对炉管环向裂纹也不作评价。

(2)大部分炉管有弯曲现象，说明炉膛烧嘴两侧温度不均匀，建议工厂在开车前仔细调整炉管两侧烧嘴温度，一般管排温差应小于20 ℃，达到稳定平衡,调整炉管弹簧的正常膨胀系数以免炉管继续弯曲。

(3)由于炉管已有弯曲现象，可使阻力降发生变化，需严格测试炉管触媒的阻力降及防止触媒搭桥造成炉管局部过烧而爆裂。

(4)由于炉管已发生弯曲，部分烧嘴角度应进行调整，以防火焰舔管导致炉管过烧而爆裂。

(5)在炉管服役过程中必须严格按照操作规程及有关条例进行平稳操作，切忌炉管在超温、超压的非正常工况下运行。炉管在运行中要特别加强工艺状态的稳定控制，以防炉管突然爆裂。

[1] 王汉军,薄锦航,张国良,等.制氢转化炉炉管失效分析[J].石油化工腐蚀与防护,2004(3):23-26.

[2] 张玉良.蒸汽转化炉的检查和维修[J].石油化工设备技术,2006,27(6):17-19.

[3] 巩建鸣,涂善东,陈嘉南.制氢转化炉炉管长期服役后损伤评价[J].南京化工大学学报,1991,21(1):49-52.

[4] 郑桂平,蒋自力,淡斌.制氢转化炉管蠕变裂纹的超声波检测[J].装备维修技术,2001(4):16-18.