于 闖

(1 中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院壓力容器部，北京 100029；2 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心煉油與化工裝備風(fēng)險(xiǎn)防控，北京 101300)

轉(zhuǎn)化爐是化工設(shè)備制氫的關(guān)鍵設(shè)備，轉(zhuǎn)化爐工藝通常為以天然氣、蒸汽為原料，通過(guò)轉(zhuǎn)化管反應(yīng)生成合成氣。轉(zhuǎn)化管通過(guò)燃燒器進(jìn)行加熱，通常有頂燒爐與側(cè)燒爐兩種形式，因此轉(zhuǎn)化爐爐管是既充當(dāng)換熱器又充當(dāng)反應(yīng)器。轉(zhuǎn)化管材料通常為HP40或HP40Nb，在工作過(guò)程中最高溫度可達(dá)到1000 ℃左右，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫蠕變會(huì)逐漸產(chǎn)生裂紋，國(guó)外對(duì)轉(zhuǎn)化爐爐管的高溫蠕變損傷已有較多研究[1-2]。轉(zhuǎn)化爐內(nèi)任何一根爐管發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐停工檢修，影響裝置安全運(yùn)行。轉(zhuǎn)化爐爐管通過(guò)離心鑄造的方式進(jìn)行制造，表面有楊梅粒子涂層，常規(guī)檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)爐管母材進(jìn)行檢測(cè)。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了爐管超聲檢測(cè)研究[3-4]，何萌等[5]對(duì)比了多種爐管檢測(cè)方法，其中超聲衰減可對(duì)多種損傷進(jìn)行測(cè)量。國(guó)外也開(kāi)展了水浸超聲透射法對(duì)爐管進(jìn)行檢測(cè)[6]，水浸超聲檢測(cè)方法是通過(guò)水耦合的方式，兩個(gè)探頭一發(fā)一收，當(dāng)經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)，采集信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)底波信號(hào)衰減的情況，從而確定可能存在缺陷的位置。胡振龍等[7]對(duì)人工刻槽的爐管進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采集信號(hào)的底波衰減隨缺陷深度的增加而增大。為探究轉(zhuǎn)化爐爐管水浸超聲檢測(cè)實(shí)際應(yīng)用效果，本文將對(duì)轉(zhuǎn)化爐爐管水浸超聲檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。本文的研究有助于對(duì)爐管確定合理的更換周期，可為企業(yè)適時(shí)做出修復(fù)或更換的建議，對(duì)于確保裝置長(zhǎng)周期的安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)轉(zhuǎn)化爐爐管水浸超聲技術(shù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

1 研究方法

本文主要通過(guò)水浸超聲的方法進(jìn)行檢測(cè)，水浸超聲機(jī)器人是專(zhuān)門(mén)針對(duì)爐膛內(nèi)爐管實(shí)施水浸超聲檢測(cè)的專(zhuān)用設(shè)備，水浸超聲測(cè)試方法的原理是水作為耦合劑，由曲面探頭發(fā)出超聲波波束經(jīng)過(guò)爐管表面折射，穿過(guò)爐管被截面，在經(jīng)過(guò)爐管表面折射，由直面探頭接收。在波束經(jīng)過(guò)爐管截面時(shí)，爐管中的蠕變裂紋會(huì)使部分波束被反射而不能到達(dá)直面探頭。因此當(dāng)采集信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)底波信號(hào)衰減的情況，確定可能存在缺陷的位置。

制定現(xiàn)場(chǎng)水浸超聲檢測(cè)的方案：通過(guò)水浸超聲爬壁機(jī)器人對(duì)爐管進(jìn)行檢測(cè)應(yīng)用，首先對(duì)人工刻槽的樣管進(jìn)行水浸超聲檢測(cè)，確定水浸超聲衰減程度與損傷深度的關(guān)系，進(jìn)行超聲波衰減等級(jí)標(biāo)定；然后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)服役過(guò)的爐管進(jìn)行檢測(cè)，利用樣管標(biāo)定等級(jí)對(duì)正在服役的爐管進(jìn)行評(píng)定等級(jí)，判斷爐管損傷情況；最后通過(guò)割管實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)爐管水浸超聲檢測(cè)效果進(jìn)行評(píng)估。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室爐管管段的情況制定研究方案：調(diào)查轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)安裝資料、歷年?duì)t管檢驗(yàn)檢測(cè)資料和實(shí)際運(yùn)行工況等相關(guān)情況數(shù)據(jù)，對(duì)爐管運(yùn)行工況以及其可能產(chǎn)生的損傷進(jìn)行分析；對(duì)爐管試樣進(jìn)行水浸超聲測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定爐管性能；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析不同水浸超聲結(jié)果的爐管性能差異。

2 爐管水浸超聲檢測(cè)

2.1 爐管水浸超聲現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)爐管型號(hào)：直徑為127 mm，壁厚為12 mm，根據(jù)爐管的規(guī)格，制作人工刻槽的樣管，分別為壁厚的三分之一缺陷、二分之一缺陷、三分之二缺陷，對(duì)樣管進(jìn)行檢測(cè)，并建立爐管人工缺陷高度與超聲衰減信號(hào)的規(guī)律。對(duì)無(wú)缺陷位置和有缺陷位置分別進(jìn)行檢測(cè)，超聲波高如表1所示。可以看到爐管超聲波高隨著刻槽深度的增加衰減也逐漸增大，在沒(méi)有缺陷的位置檢測(cè)時(shí)超聲波高度為55.7%，以此作為爐管狀態(tài)良好的標(biāo)準(zhǔn)高度；當(dāng)缺陷達(dá)到三分之二壁厚的高度時(shí)，檢測(cè)的超聲波高度最低只有12.5%。

表1 不同缺陷高度的水浸超聲波高Table 1 Immersion ultrasonic wave height of different defect heights

根據(jù)樣管標(biāo)定制定爐管水浸超聲檢測(cè)等級(jí)如下：A級(jí)管表示管段沒(méi)有高溫蠕變裂紋以及未發(fā)生材質(zhì)劣化；B級(jí)管表示爐管損傷加劇，材質(zhì)進(jìn)一步劣化或蠕變裂紋等效損傷深度相當(dāng)于三分之一壁厚；C+級(jí)管表示爐管損傷比較嚴(yán)重，材質(zhì)劣化嚴(yán)重或蠕變裂紋等效損傷深度相當(dāng)于二分之一壁厚；C-級(jí)管表示損傷嚴(yán)重，材質(zhì)劣化非常嚴(yán)重或蠕變裂紋等效損傷深度相當(dāng)于三分之二壁厚，此時(shí)爐管狀態(tài)已經(jīng)非常危險(xiǎn)，不能繼續(xù)使用了。

圖1 爐管水浸超聲檢測(cè)結(jié)果Fig.1 Ultrasonic test results of immersion of furnace tubes

圖1為某石化公司轉(zhuǎn)化爐內(nèi)水浸超聲檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果，通過(guò)將水浸超聲爬壁機(jī)器人在爐管底部組裝，機(jī)器人上行預(yù)濕，下行檢測(cè)，并根據(jù)編碼器數(shù)據(jù)同步記錄整根爐管的超聲波的波動(dòng)。爐管由上至下記錄的超聲波高如圖所示，01和02通道分別為記錄的爐管兩側(cè)超聲波高變化情況，空白位置為爐管焊縫，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出爐管部分位置超聲波衰減較大，最低位置與三分之二壁厚檢測(cè)值相持平，疑似存在缺陷，最嚴(yán)重等級(jí)已到達(dá)C-級(jí)別，已不能繼續(xù)使用；爐管2 m位置焊縫兩側(cè)超聲波信號(hào)變化較大。

2.2 爐管試驗(yàn)性能測(cè)試

2.2.1 爐管實(shí)驗(yàn)室水浸超聲測(cè)試

對(duì)已服役過(guò)的轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行割管試驗(yàn)測(cè)試，爐管段未見(jiàn)明顯鼓脹、變形或開(kāi)裂，表面楊梅粒子脫落。由于切割爐管的長(zhǎng)度限制以及爐管直徑和壁厚不匹配的問(wèn)題，為了實(shí)現(xiàn)更好的耦合效果以及更準(zhǔn)確的測(cè)量出超聲信號(hào)衰減位置，定制開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了適配的超聲檢測(cè)瓦塊，爐管型號(hào)：直徑為152 mm，壁厚為15.5 mm。

為了與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的條件相符采用水浸超聲進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)缺陷進(jìn)行標(biāo)記，記錄超聲信號(hào)衰減位置。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水浸超聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并記錄超聲波高度變化如表2所示，發(fā)現(xiàn)部分位置存在超聲信號(hào)衰減，超聲信號(hào)衰減較大則此位置可能存在缺陷；并且水浸超聲實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1-1管段比1-2管段的超聲波高度衰減較為嚴(yán)重，并且單個(gè)管段存在超聲信號(hào)衰減較大的位置，對(duì)超聲信號(hào)較大的位置進(jìn)行切割并未發(fā)現(xiàn)裂紋。根據(jù)檢測(cè)的情況選取其中的部分位置進(jìn)行進(jìn)一步的力學(xué)性能試驗(yàn)檢測(cè)。

表2 爐管超聲波信號(hào)高度Table 2 Ultrasonic signal height of furnace tube (%)

2.2.2 拉伸性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)1-1、1-2管段各截取2個(gè)試樣，根據(jù)GB/T228.1-2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，并使用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行常溫拉伸性能測(cè)試。常溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。根據(jù)拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)1-1-2試件抗拉強(qiáng)度已低于標(biāo)準(zhǔn)值，1-1-1試件抗拉強(qiáng)度已接近標(biāo)準(zhǔn)值，1-1管段的試件屈服強(qiáng)度均已接近標(biāo)準(zhǔn)值，所有試件的斷面收縮率均低于標(biāo)準(zhǔn)值；1-1管段試件的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度均低于1-2管段試件的抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度，這可能是由于爐管材料已經(jīng)發(fā)生劣化，導(dǎo)致?tīng)t管力學(xué)性能下降，并且1-1管段材質(zhì)劣化較1-2管段更嚴(yán)重。

表3 常溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Tensile test results at room temperature

3 結(jié) 論

本文對(duì)在役爐管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水浸超聲測(cè)試，且在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了水浸超聲以及拉伸性能方面的測(cè)試，得出如下結(jié)論。

(1)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)以及實(shí)驗(yàn)室爐管水浸超聲檢測(cè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水浸超聲檢測(cè)靈敏度比較高，能準(zhǔn)確記錄整根爐管超聲波信號(hào)高度的變化；當(dāng)檢測(cè)人工缺陷位置時(shí)會(huì)出現(xiàn)超聲波衰減，并且爐管超聲波高隨著刻槽深度的增加衰減也逐漸增大。

(2)爐管段宏觀形貌未見(jiàn)明顯鼓脹、變形或開(kāi)裂，無(wú)明顯腐蝕痕跡，部分管段外表面楊梅粒子脫落，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，水浸超聲衰減位置的爐管材料性能已經(jīng)發(fā)生退化，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷面收縮率等力學(xué)性能已經(jīng)有所降低，部分試件學(xué)性能已低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

(3)爐管力學(xué)性能衰減是由于爐管微觀組織變化引起的，而微觀組織變化可能與水浸超聲信號(hào)衰減有一定的關(guān)系，在未來(lái)的工作中也可以從此方面入手，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

(4)總體而言爐管水浸超聲檢測(cè)方法對(duì)爐管安全性評(píng)價(jià)具有較好的意義，可以實(shí)現(xiàn)在役爐管整根的缺陷或材料性能退化位置的檢測(cè)，本文的研究有助于對(duì)長(zhǎng)期服役的爐管確定安全狀況，制定合理的更換周期，并為企業(yè)適時(shí)做出修復(fù)或更換的建議，對(duì)爐管水浸超聲技術(shù)發(fā)展具有十分重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)超聲波衰減影響因素較多，并不是單一的由蠕變裂紋或孔洞引起，也可能爐管并未存在缺陷但爐管材料已經(jīng)發(fā)生劣化，由超聲信號(hào)衰減確定損傷缺陷的檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)方法并不準(zhǔn)確，目前也沒(méi)有一個(gè)合理的樣管標(biāo)定方法，超聲波信號(hào)衰減與爐管實(shí)際損傷的確切對(duì)應(yīng)關(guān)系亟待建立，另外如何結(jié)合檢測(cè)結(jié)果對(duì)爐管進(jìn)行分級(jí)和壽命評(píng)估也需要進(jìn)一步研究，這些問(wèn)題也成為制約這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素。總體而言爐管水浸超聲檢測(cè)方法對(duì)爐管安全性評(píng)價(jià)具有較好的意義，可以檢測(cè)到爐管缺陷或材料性能退化的位置，相信隨著技術(shù)的發(fā)展，爐管水浸超聲檢測(cè)方法也會(huì)更加完善。