閆 河，李景振，邢 述

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

新型技術(shù)在爐管氧化檢測(cè)中的應(yīng)用

閆 河，李景振，邢 述

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

爐管作為石油化工企業(yè)中大型管式燃料加熱爐的重要組成部件，不僅投資費(fèi)用高，且是失效頻率最高的部件，因此如何采用有效的檢測(cè)技術(shù)來測(cè)試爐管的氧化程度顯得尤為重要。運(yùn)用磁性檢測(cè)技術(shù)和聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)已服役50 000 h的規(guī)格為φ114 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)的爐管，分別對(duì)其向火面、背火面及過渡面進(jìn)行磁性測(cè)試和聲發(fā)射衰減測(cè)試，通過對(duì)比不同氧化程度的矯頑力大小及聲信號(hào)衰減狀況，來分析磁性檢測(cè)技術(shù)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在爐管氧化層厚度檢測(cè)中的有效性。結(jié)果表明，磁性檢測(cè)技術(shù)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)均可應(yīng)用于爐管氧化程度的檢測(cè)，矯頑力的大小取決于爐管的氧化程度及氧化層的附著程度，而聲信號(hào)衰減梯度變化對(duì)氧化層厚度較敏感，氧化層的厚度越厚其聲信號(hào)衰減梯度越大。

爐管;磁性檢測(cè)技術(shù);聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，各行業(yè)對(duì)能源的需求不斷增加，石油化工企業(yè)作為能源的主要供應(yīng)者，不斷要求設(shè)備長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷地運(yùn)轉(zhuǎn)。爐管作為石油化工企業(yè)中大型管式燃料加熱爐的重要組成部件，不僅投資費(fèi)用高，約占整個(gè)加熱爐投資50%以上，而且也是失效頻率最高的部件。由于爐管長(zhǎng)期在受火環(huán)境下運(yùn)行，極易發(fā)生氧化、蠕變等失效事故[1]，這些失效會(huì)導(dǎo)致裝置的非計(jì)劃停車，給生產(chǎn)造成巨大損失，嚴(yán)重影響石化企業(yè)的安全生產(chǎn)。

爐管長(zhǎng)期在1 000～1 100℃的溫度下運(yùn)行，管內(nèi)有燃?xì)饣鹱焯峁┹椛淠芰?，整個(gè)燃燒過程中，爐管表面會(huì)不可避免地受到氧化作用[2]。鋼的高溫氧化屬于高溫下的氣體腐蝕，是高溫設(shè)備中最常見的化學(xué)腐蝕。在300 ℃溫度下，鋼材表面出現(xiàn)可見的氧化皮，隨著溫度升高，鋼材的氧化速度大大增加；在溫度高于570 ℃時(shí)，氧化加劇，鐵與氧形成：FeO、Fe2O3、Fe3O4化合物，且所形成的化合物與溫度有關(guān)，溫度越高越易生成FeO。由于FeO是簡(jiǎn)單的立方晶格，在這種結(jié)構(gòu)中，氧原子數(shù)較FeO化學(xué)式所應(yīng)有的氧原子少，導(dǎo)致原子空位較多，結(jié)構(gòu)疏松。另外，這種結(jié)構(gòu)中的氧原子容易通過氧化層空隙擴(kuò)散到基體表面，使鐵繼續(xù)氧化，溫度愈高，氧化愈嚴(yán)重。隨著氧化的不斷加劇，氧化層不斷加厚直到脫落，致使?fàn)t管壁厚減薄?，F(xiàn)實(shí)中，除了少數(shù)貴金屬和合金外，幾乎沒有一種金屬或合金在高溫環(huán)境工作時(shí)是穩(wěn)定的，它們都在不同程度上與氣氛中的氧、硫、碳等元素發(fā)生電化學(xué)或化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料劣化或破壞[3-4]。

爐管氧化程度跟火焰朝向有一定的關(guān)系，向火面和背火面的氧化速率不同：背火面的氧化皮薄且致密；向火面的氧化皮厚且疏松，氧化層層層剝落，表層有網(wǎng)狀裂紋，如果局部結(jié)焦導(dǎo)致該處過熱時(shí)，很容易造成爐管燒穿。另一方面，發(fā)生滲碳的爐管，所生成的碳化物比基體更易于氧化，這種氧化會(huì)使裂紋發(fā)生擴(kuò)展，迫使氧化膜破裂，促使基體進(jìn)一步氧化，而使管壁減薄，這就是所謂的爐管腐蝕或沖蝕。這種現(xiàn)象在爐管使用過程中常有發(fā)生，因此選擇合適的檢測(cè)方法對(duì)爐管滲碳及氧化程度進(jìn)行有效檢測(cè)，就顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外開展針對(duì)爐管氧化程度檢測(cè)的工作還不多[5]，氧化層厚度的測(cè)量是研究工作的重要方向。常見的測(cè)厚方法有X射線法，超聲、渦流等檢測(cè)方法，但目前這些技術(shù)在工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用中由于爐管的空間布置而受到一定的限制。

爐管的氧化一方面會(huì)引起爐管結(jié)構(gòu)疏松；另一方面，氧化過程中產(chǎn)生大量的鐵磁性氧化層及氧化過程中對(duì)Cr-Fe-Ni三相平衡狀態(tài)的破壞均會(huì)使原本弱磁的爐管磁性增加[6-7]。磁性增加改變了材料的磁滯特征參數(shù)，而磁滯特征參數(shù)對(duì)材料的微觀組織結(jié)構(gòu)的變化非常敏感。即，材料的磁滯回線形狀特征參數(shù)的變化可以反映材料內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)特征的變化；另一方面，聲信號(hào)的衰減變化與材料磁場(chǎng)強(qiáng)度、微觀組織及所產(chǎn)生的各種附加應(yīng)力有密切的關(guān)聯(lián)。基于上述原因，筆者嘗試采用磁力測(cè)試和聲發(fā)射衰減測(cè)試法，針對(duì)已服役近50 000 h的規(guī)格為φ114 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)的爐管，分別對(duì)其向火面、背火面及過渡面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比分析不同氧化程度所對(duì)應(yīng)的矯頑力大小及聲信號(hào)衰減狀況，最終確定磁力檢測(cè)技術(shù)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在爐管氧化層厚度檢測(cè)中的有效性。

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

已服役近50 000 h的爐管，規(guī)格為φ114 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)，爐管的主要化學(xué)成分見表1。

表1 爐管材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

1.2 爐管的截面狀況

圖1 在役爐管截面圖

整個(gè)爐管的截面狀況如圖1所示。由圖1可見，背火面無明顯的氧化層；向火面氧化層厚度最大，約1.5 mm。

1.3 檢測(cè)儀器

檢測(cè)所需的儀器：聲發(fā)射檢測(cè)儀器一臺(tái)(SAEU2S-1016-4)；SR150S(直徑6 mm)小傳感器四個(gè)(頻率范圍：100 kHz～400 kHz)、40 dB前置放大器4個(gè)；數(shù)據(jù)連接線4根；20 m同軸電纜4根；白膠帶一圈；直徑0.5 mm的HB鉛芯一盒；標(biāo)準(zhǔn)斷鉛裝備一個(gè)；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)一套；MA多參數(shù)便攜式矯頑力測(cè)試儀一臺(tái)。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程主要為：

(1) 試件宏觀檢查、金相分析、能譜分析。

(2) 試件不同方位的磁性測(cè)試。

(3) 試件不同方位的聲發(fā)射衰減測(cè)試。

磁性測(cè)試方法：采用烏克蘭生產(chǎn)的MA多參數(shù)便攜式矯頑力測(cè)試儀對(duì)事先確定的部位進(jìn)行軸向或環(huán)向兩個(gè)方位的矯頑力測(cè)試，每個(gè)部位不少于三次測(cè)量，記錄每次所測(cè)得數(shù)據(jù)，擬合不同關(guān)聯(lián)圖。

聲衰減測(cè)試方法：系統(tǒng)校驗(yàn)，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)前校準(zhǔn)；布置傳感器，在事先打磨好的部位進(jìn)行傳感器布置；用連接同軸電纜和數(shù)據(jù)線將前置放大器與主機(jī)相連；檢測(cè)前進(jìn)行背景噪聲測(cè)試，根據(jù)背景噪聲測(cè)試結(jié)果設(shè)置采集門檻等信號(hào)參數(shù)；根據(jù)衰減測(cè)試的規(guī)定，分別在距離傳感器位置10,100,200,300 mm等部位進(jìn)行不少于三次標(biāo)準(zhǔn)斷鉛測(cè)試試驗(yàn)，采集每次斷鉛的信號(hào)幅值，擬合信號(hào)幅值與距離間的曲線，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，其將試樣表面拋光浸蝕后置于掃描電子顯微鏡下觀察，可定性地描述金屬材料的顯微組織特征。斷面金相分析見圖2，3，該次檢測(cè)所采用掃描電子顯微鏡型號(hào)為9XB-PC，放大倍數(shù)分別為100倍和2 500倍。附著層能譜分析見圖4。

圖2 迎火面金相圖

圖3 滲碳區(qū)金相圖

圖4 附著層能譜分析

2.2 矯頑力測(cè)試

對(duì)爐管沿六個(gè)不同方位分別進(jìn)行軸向矯頑力測(cè)試，其中1號(hào)部位為圖1中1號(hào)字樣處，按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔60°進(jìn)行一個(gè)部位的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示，矯頑力大小與附著層厚度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

表2 不同方位矯頑力測(cè)試結(jié)果

圖5 軸向矯頑力與附著層厚度間的關(guān)系曲線

圖6 不同方位的聲信號(hào)衰減曲線

2.3 聲發(fā)射衰減測(cè)試

根據(jù)上述聲衰減測(cè)試方法對(duì)試件沿四個(gè)方位分別進(jìn)行衰減測(cè)試，1號(hào)部位為圖1中1號(hào)字樣處，按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每隔90°進(jìn)行一個(gè)部位的測(cè)試，共計(jì)四個(gè)部位。記錄四個(gè)部位中每次斷鉛的信號(hào)幅值，分別擬合相應(yīng)部位的信號(hào)幅值與距離間的曲線，即形成不同部位的聲信號(hào)衰減曲線圖。圖6所示為四個(gè)方位的聲信號(hào)衰減曲線(不同方位代表不同氧化層厚度)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 金相組織分析

(1) 該爐管在內(nèi)壁均勻地發(fā)生了滲碳現(xiàn)象，且滲碳層厚度約為500 μm。

(2) 滲碳層中有大量碳化物析出(見圖3)。

(3) 在滲碳層外有一層附著層(見圖2)，由能譜可知該附著層為氧化層(見圖4)，最大厚度約1.5 mm。

(4) 爐管在高溫環(huán)境下服役，氧化層隨著厚度增加而變得疏松，直至剝落，氧化層厚度為250 μm時(shí)已與基體發(fā)生微裂(見圖4)。

3.2 矯頑力測(cè)試

由矯頑力大小與氧化層厚度間的關(guān)系曲線(見圖5)可看出：氧化層厚度在500 μm以內(nèi)時(shí)，矯頑力的大小隨著氧化層厚度增加而增加；氧化層厚度大于500 μm時(shí)，氧化層與基體發(fā)生開裂，由氧化引起的爐管磁性增加的效應(yīng)隨之消失，致使矯頑力下降。

3.3 聲衰減測(cè)試

(1) 比較1～4號(hào)位的衰減結(jié)果可知，1號(hào)位的衰減梯度最小，3號(hào)位的衰減梯度最大(見圖6)。

(2) 由金相結(jié)果可知整個(gè)截面中的滲碳層厚度無明顯差異，故不同方位的聲信號(hào)衰減梯度變化并非由滲碳層厚度引起。

(3) 比較氧化層厚度與聲信號(hào)衰減梯度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知:聲信號(hào)衰減梯度變化對(duì)氧化層厚度較敏感，氧化層厚度越厚，聲信號(hào)衰減梯度越大;氧化層厚度越薄，聲信號(hào)衰減梯度越小。

4 結(jié)論

(1) 磁性檢測(cè)技術(shù)與聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)均可應(yīng)用于爐管氧化層厚度檢測(cè)中。

(2) 應(yīng)用磁性檢測(cè)技術(shù)對(duì)爐管氧化程度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，爐管的氧化程度及氧化層的附著程度共同決定著矯頑力的大小。

(3) 應(yīng)用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)對(duì)爐管氧化程度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，氧化層厚度直接決定著聲信號(hào)的衰減梯度：附著氧化層越厚，聲信號(hào)衰減梯度越大；附著氧化層越薄，聲信號(hào)衰減梯度越小。

[1] 林學(xué)東,孫源.乙烯裂解爐管材料高溫滲碳行為研究[J].機(jī)械工程材料,1994,18(6):28-30.

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Application of New Technology in the Detection of Furnace Tube Oxidation

YAN He, LI Jing-zhen, XING Shu

(China Special Equipment Inspection and Research institute, Beijing 100029, China)

Furnace tube as an important component of large tube type fuel heating furnace used in petroleum chemical industry not only is of the high cost of investment accounting, but also is of the highest frequency component failure. Therefore, the adoption of effective detection techniques to test tube oxidation degree is very important. This paper uses acoustic emission detection technology and magnetic detection technology to test magnetic signal and acoustic signal of the fire surface, back surface and transition surface about the tube ofφ114 mm×6.5 mm (outer diameter × wall thickness) and has been on active service for 50000 hours. Through comparison of different results of testing under various oxidation degrees, the detection effectiveness of magnetic detection technology and acoustic emission detection technology was investigated. Results show that, the magnetic detection technology and acoustic emission detection technology can be used in furnace tube oxidation degree detection. The coercive force depends on the size of the furnace tube degree of oxidation and the degree of adhesion of oxidation layer, and acoustic signal attenuation gradient is more sensitive to the change of the oxide layer thickness, and the thicker the thickness of the oxide layer, the greater the acoustic attenuation gradient is.

Furnace tube; Magnetic detection technology; Acoustic emission

2016-07-31

國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016QK204)

閆 河(1976-),男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事壓力容器、壓力管道、常壓容器的檢驗(yàn)檢測(cè)及評(píng)價(jià)工作。

閆 河, E-mail: peteryan76@126.com。

10.11973/wsjc201702008

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0030-04