閆 河，劉德宇，方 舟

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013）

大型管式燃料加熱爐是石油化工企業(yè)中廣泛應(yīng)用且必不可少的重要設(shè)備。該加熱爐能否實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷地安全運(yùn)行，對(duì)保障石化企業(yè)的安全生產(chǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展至關(guān)重要。

由于爐管長(zhǎng)期在火焰、煙氣、飛灰等惡劣環(huán)境下運(yùn)行，服役過(guò)程中易受到介質(zhì)腐蝕、磨損、拉裂等因素的影響，爐管極易產(chǎn)生滲碳、滲碳開裂、彎曲、蠕變開裂、熱疲勞開裂、鼓脹、氧化及高溫硫腐蝕等缺陷，而導(dǎo)致裝置的非計(jì)劃停車，影響石化企業(yè)的安全生產(chǎn)。另一方面，現(xiàn)在各大石油化工企業(yè)為了利益最大化，往往會(huì)提高爐管的操作溫度，這樣就對(duì)其抗高溫腐蝕性能提出了更為嚴(yán)格的要求，例如：乙烯裂解爐管長(zhǎng)期處于高溫條件下，爐管材料極易發(fā)生滲碳，這樣會(huì)加速爐管的失效［1］。日本曾對(duì)裂解爐管的失效形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，與滲碳相關(guān)的失效占93%，其中直接由滲碳及其引起的開裂造成的失效占49%［2－4］。

目前，用于裂解爐爐管的主要材質(zhì) HP40Nb（25Cr35NiNb－Ma），在高溫及介質(zhì)裂解產(chǎn)生活性碳的環(huán)境下，極易發(fā)生滲碳現(xiàn)象。滲碳的結(jié)果一方面會(huì)使組織疏松，因?yàn)樘蓟锏拿芏葧?huì)隨著碳含量的升高而減??；另一方面，由于碳化鉻的形成，打破了組織中Cr－Fe－Ni三相平衡狀態(tài)，使原本弱磁組織的磁性增加。因此，如何測(cè)試滲碳層的厚度及研究滲碳層的厚度對(duì)爐管綜合性能的影響尤為重要。

文獻(xiàn)［5－7］顯示，目前滲碳層厚度的檢測(cè)方法大多仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，比如國(guó)外常采用的磁力測(cè)量、電磁測(cè)厚及渦流檢測(cè)方法等；國(guó)內(nèi)也開展了一些有關(guān)高溫?cái)?shù)字化超聲檢測(cè)、低頻電磁檢測(cè)等方面的研究。這些方法目前仍未廣泛地應(yīng)用于大型加熱爐爐管現(xiàn)場(chǎng)較復(fù)雜條件下的檢測(cè)。因此，開展以聲學(xué)、磁學(xué)等為主要方法的大型管式燃料加熱爐爐管檢測(cè)新技術(shù)的研究，達(dá)到對(duì)爐管快速、準(zhǔn)確、整體的檢測(cè)，對(duì)確保加熱爐裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行具有重要意義。

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是以聲學(xué)為基礎(chǔ)，用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)的新型檢測(cè)技術(shù)，不僅可以根據(jù)時(shí)差定位來(lái)確定活性缺陷的位置，同時(shí)也可以根據(jù)聲信號(hào)衰減測(cè)試來(lái)判定材質(zhì)的劣化問題。引起聲信號(hào)衰減的因素很多，對(duì)于粗大晶粒的鑄造材料而言，主要衰減因素為散射衰減，同時(shí)伴有位錯(cuò)、磁疇壁運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力引起的衰減［8］。爐管在發(fā)生滲碳后，其組織變化、磁場(chǎng)強(qiáng)度變化及其帶來(lái)的各種附加應(yīng)力等因素都會(huì)引起信號(hào)的衰減。筆者試圖從聲發(fā)射信號(hào)衰減測(cè)試方面出發(fā)，針對(duì)規(guī)格為φ70mm×6mm的HP40Nb裂解爐管進(jìn)行不同時(shí)間的滲碳處理，結(jié)合滲碳后金相分析結(jié)果、矯頑力測(cè)試結(jié)果、聲信號(hào)衰減數(shù)據(jù)來(lái)綜合分析不同滲碳層厚度所引起的組織變化情況、磁場(chǎng)強(qiáng)度變化程度與聲信號(hào)衰減程度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最終確定聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在滲碳層厚度檢測(cè)中的有效性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

對(duì)新出廠的爐管（規(guī)格為φ70mm×6mm）進(jìn)行不同時(shí)間的滲碳，以便得到不同厚度的滲碳層。爐管的主要化學(xué)成分為C 0.45%；Si 1.58%；Mn 1.29%；Cr 26.3%；Ni 36.9%；Nb 0.83%；Mo 0.04%；P，S，Al≤0.03%。不同的滲碳時(shí)間及滲碳層厚度見表1。

表1 不同滲碳時(shí)間對(duì)應(yīng)的滲碳層厚度

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器主要包括SAEU2S－1016－4聲發(fā)射檢測(cè)儀器一臺(tái)、特制SR150S（直徑6mm）小傳感器四個(gè)（頻率范圍：100～400kHz）、40dB前置放大器4個(gè)、數(shù)據(jù)連接線4根、30米同軸電纜4根、膠帶一圈、直徑0.5mm的HB鉛芯若干、標(biāo)準(zhǔn)斷鉛裝備一個(gè)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：① 不同滲碳時(shí)段試件金相分析及磁力測(cè)試。② 不同滲碳時(shí)段試件的聲發(fā)射衰減測(cè)試。

1.3.2 聲發(fā)射衰減測(cè)試步驟

（1）校驗(yàn)系統(tǒng) 有效的聲發(fā)射檢測(cè)是建立在完好系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的，故檢驗(yàn)前必須進(jìn)行相應(yīng)的系統(tǒng)校準(zhǔn)。

（2）布置傳感器 將傳感器布置于事先打磨好的部位。

（3）連接同軸電纜、前置放大器、數(shù)據(jù)線及主機(jī)。

（4）打開軟件進(jìn)行背景噪聲測(cè)試，根據(jù)背景噪聲的大小來(lái)設(shè)置設(shè)備門檻等參數(shù)。

（5）按衰減測(cè)試的有關(guān)規(guī)定，在距離傳感器布置點(diǎn)10mm以內(nèi)，距離傳感器布置點(diǎn)100，200，300mm處分別進(jìn)行不少于三次的標(biāo)準(zhǔn)鉛筆芯折斷試驗(yàn)，記錄所采集的信號(hào)幅值，擬合幅值與距離的曲線圖，即可得到相應(yīng)的衰減曲線圖。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 金相分析

金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，傳統(tǒng)的方法就是將試樣表面拋光浸蝕后在顯微鏡下進(jìn)行觀察，以定性地描述金屬材料的顯微組織特征。此處金相分析的方法是在不同滲碳時(shí)間的試件上取樣后，用顯微鏡觀察其組織的變化。顯微鏡型號(hào)為9XB－PC，放大倍數(shù)均為500倍。圖1所示為不同滲碳層厚度試件金相分析結(jié)果。

圖1 不同滲碳層厚度試件的金相組織形貌

2.2 磁場(chǎng)測(cè)試

（1）矯頑力（Hc）：由于磁化過(guò)程的不可逆性，為了使剩磁減小到零，必須施加一個(gè)反向磁場(chǎng)強(qiáng)度，為使剩磁降為零所施加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為矯頑力。其是描述磁性材料的特性之一，鐵磁性材料的矯頑力大則表現(xiàn)為硬磁性，矯頑力小則表現(xiàn)為軟磁性，故可以采用矯頑力的大小來(lái)評(píng)定磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。國(guó)際單位為A／m或Oe（高斯單位制）。

（2）矯頑力測(cè)試所采用的儀器為烏克蘭生產(chǎn)MC－04H－2型矯頑力測(cè)試儀器，不同滲碳層厚度試件矯頑力測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同滲碳層厚度與矯頑力大小關(guān)系圖

2.3 聲發(fā)射衰減測(cè)試

根據(jù)聲信號(hào)衰減測(cè)試方法，對(duì)不同滲碳層厚度的4個(gè)試件逐一進(jìn)行衰減測(cè)試，記錄每次斷鉛信號(hào)幅值，擬合幅值與距離曲線，形成聲信號(hào)衰減曲線圖。圖3所示為不同滲碳層厚度試件的聲信號(hào)衰減曲線。

圖3 不同滲碳層厚度試件的聲信號(hào)衰減曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 金相組織分析

（1）比較滲碳處理前后的金相組織，未經(jīng)滲碳處理的晶界只有少量碳化物，如圖1（a）所示；經(jīng)過(guò)滲碳處理后的金相結(jié)果顯示有大量的條狀、塊狀碳化物析出，如圖1（b）～（d）所示。

（2）對(duì)于一根設(shè)計(jì)壽命在10年以上的爐管，經(jīng)幾小時(shí)的強(qiáng)滲碳后，未出現(xiàn)組織疏松等缺陷，如圖1（b）～（d）所示。說(shuō)明短時(shí)單一強(qiáng)滲碳因素不會(huì)引起爐管開裂等形式的失效。

3.2 矯頑力測(cè)試結(jié)果分析

（1）經(jīng)滲碳處理后的試件，其軸向和環(huán)向矯頑力均較未滲碳處理時(shí)有明顯的變化（圖2）。這表明所測(cè)試件的磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定程度上有所增強(qiáng)。

（2）滲碳層厚度與矯頑力大小基本成線性關(guān)系。將軸向和環(huán)向試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別擬合后得到下式：

式中：環(huán)向a＝0.49，b＝194.2；軸向a＝0.52，b＝257.5。

3.3 聲發(fā)射衰減測(cè)試分析

（1）雖然聲發(fā)射檢測(cè)的目的是為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離爐管的檢測(cè)，但根據(jù)理想聲衰減模式，可知在距離傳感器布置點(diǎn)300mm范圍內(nèi)的衰減梯度最大，故試驗(yàn)采用300mm的樣管是可行的。

（2）所取試件總長(zhǎng)為300mm，故在300mm處進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)斷鉛時(shí)，雖進(jìn)行一些處理，但仍沒有消除斷鉛時(shí)一次波與端面反射二次波之間疊加引起的幅值上升的可能性，如圖3中顯示的滲碳層厚度為0，990μm試件的聲衰減曲線端部上翹的現(xiàn)象。

（3）不考慮距離傳感器布置點(diǎn)300mm處端部上翹現(xiàn)象的影響，在距離傳感器布置點(diǎn)200mm范圍內(nèi)，聲信號(hào)衰減程度隨滲碳層厚度的增加而減緩（如圖3所示）。

（4）由傳感器布置點(diǎn)附近距離傳感器布置點(diǎn)100，200mm處的聲信號(hào)幅值可知，四種試件在同一距離的幅值變化范圍分別為1，2.5，2.0dB，考慮到誤差因素，可認(rèn)為目前的滲碳層厚度不會(huì)引起聲信號(hào)的顯著變化。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)滲碳處理后的爐管，其組織形態(tài)和磁場(chǎng)強(qiáng)度與未經(jīng)滲碳處理的爐管相比有較明顯的變化。

（2）對(duì)于單一強(qiáng)滲碳組織，滲碳層厚度與矯頑力大小呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。

（3）短時(shí)強(qiáng)滲碳引起的組織變化及磁場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)并未加快聲信號(hào)的衰減，在一定程度上起到了減緩的作用。

（4）短時(shí)單一強(qiáng)滲碳不會(huì)引起開裂等失效形式，也不會(huì)引起聲信號(hào)的顯著衰減。

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