制氫轉(zhuǎn)化爐爐管檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

許華峰，許勝凱，張強(qiáng)，單小晶，曹勇飛

（山東天弘化學(xué)有限公司，山東 東營 257000）

在石油、化工企業(yè)中，制氫轉(zhuǎn)化爐是制氫裝置核心設(shè)備，爐管承受高溫(850 ～1000℃)、高壓(2 ～5MPa)，服役條件惡劣。一臺(tái)制氫轉(zhuǎn)化爐中，轉(zhuǎn)化爐管數(shù)量在幾根至幾百根，任何一根爐管的損壞，均將迫使整個(gè)裝置停車，同時(shí)造成一系列的連鎖反應(yīng)，除造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，還極易引起火災(zāi)、爆炸等安全事故。因此，對(duì)高溫爐管進(jìn)行專業(yè)檢測(cè)，綜合評(píng)估檢測(cè)數(shù)據(jù)和安全評(píng)價(jià)，提前做到正確的預(yù)判、預(yù)測(cè)和預(yù)防，是保證其安全運(yùn)行的重要手段。

檢測(cè)項(xiàng)目一般分為宏觀檢測(cè)、智能超聲波檢測(cè)、手動(dòng)超聲檢測(cè)、蠕脹測(cè)量、金相檢測(cè)、硬度檢測(cè)、滲透檢測(cè)(不需破壞爐管)等。實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)一般要做化學(xué)成分檢測(cè)、滲透檢測(cè)、硬度測(cè)量、常溫拉伸、高溫短時(shí)、高溫持久、斷裂力學(xué)、高倍金相、斷口分析、掃描電鏡+能譜分析、微觀硬度檢測(cè)、磁導(dǎo)率檢測(cè)等(需破壞爐管)。

1 爐管制造過程中存在檢驗(yàn)檢測(cè)手段不完善

爐管制造過程中，遵循制造加工規(guī)范，即離心鑄造完成轉(zhuǎn)化管管段后，在檢驗(yàn)管段時(shí)采取氣密、水壓、ET、熒光或PT、內(nèi)窺鏡等檢測(cè)手段，此檢驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)轉(zhuǎn)化管管段是否存在針孔、裂紋、內(nèi)表面裂紋等穿透性鑄造缺陷。但是，對(duì)于爐管內(nèi)部的隱形缺陷是無法進(jìn)行檢測(cè)的，如一些內(nèi)部夾渣或者高溫絡(luò)合物存在于爐管管壁內(nèi)，采用以上常規(guī)檢測(cè)手段一般是檢測(cè)不出來的。

2 高溫爐管的失效形式

轉(zhuǎn)化爐爐管壁溫分布，高溫段在下部，低溫段在上部。一般認(rèn)為溫度高，爐管易損壞，而實(shí)際上，爐管損壞大多出現(xiàn)在中上部, 介質(zhì)溫度在600 ～800℃，最易損壞。這是由于爐管內(nèi)外壁溫度差大所致膨脹不一樣，產(chǎn)生熱應(yīng)力大，易造成爐管損壞；爐管下部雖然溫度高，但內(nèi)外壁溫差小，產(chǎn)生熱應(yīng)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(duì)已服役100000h 的完整轉(zhuǎn)化爐爐管進(jìn)行了壽命評(píng)價(jià)和損傷分布分析，通過一系列實(shí)驗(yàn)和有限元模擬得出結(jié)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(xiàn)場(chǎng)爐管示意圖，爐內(nèi)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(zhì)劣化或材質(zhì)缺陷引起的失效：σ 相脆化、475℃脆化、材料組織劣化、材質(zhì)冶金鑄造缺陷等。

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

（3）外應(yīng)力或熱應(yīng)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(zhuǎn)化管在線檢測(cè)和壽命分析的技術(shù)方案

3.1 智能爬行超聲檢測(cè)

爐管承受高溫和應(yīng)力的聯(lián)合作用，隨著服役時(shí)間的增加，爐管會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，蠕變發(fā)展到一定程度就會(huì)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(kuò)展到一定程度時(shí)，就會(huì)失穩(wěn)擴(kuò)展導(dǎo)致爐管破裂。

圖3 檢測(cè)設(shè)備工作中

3.2 蠕脹檢測(cè)

爐管服役過程中，在高溫高壓等多耦合因素聯(lián)合作用下，爐管會(huì)發(fā)生尺寸變化，蠕脹超過一定程度時(shí)，使?fàn)t管內(nèi)壁首先產(chǎn)生空洞或裂紋，無法安全服役，因此要對(duì)爐管的蠕脹狀況進(jìn)行測(cè)量評(píng)估，是正確判定爐管安全服役的重要手段。蠕脹連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)，在超聲檢測(cè)的同時(shí)就能記錄爐管外徑尺寸變化情況，不需要搭建腳手架，同時(shí)自動(dòng)識(shí)別焊縫，精度高，無漏檢。

4 結(jié)語

為了確保制氫轉(zhuǎn)化爐爐管正常和安全服役，需要對(duì)爐管進(jìn)行安全檢測(cè)評(píng)估，以預(yù)防轉(zhuǎn)化管在服役過程中突發(fā)泄漏、開裂等安全事故。