煉油廠制氫爐不同損傷級別爐管的微觀組織評價（三）—爐管掃描微觀組織評價

馮穎果　趙同同　武彬　姜麗秀　朱秉奎

摘? 要：制氫轉(zhuǎn)化爐運行中，處于高溫火焰、煙氣等環(huán)境下運行的轉(zhuǎn)化爐管，受轉(zhuǎn)化爐結(jié)構(gòu)和運行情況的影響，不同部位的轉(zhuǎn)化爐管的損傷級別存在著差異。通過3種不同損傷級別的制氫轉(zhuǎn)化爐管試樣的電鏡掃描試驗工作，研究了不同損傷級別的制氫轉(zhuǎn)化爐管的掃描微觀組織特點，彌補了不同損傷級別爐管的掃描微觀組織研究工作，為制氫轉(zhuǎn)化爐管壽命預(yù)測和轉(zhuǎn)化爐完整性能評價提供微觀組織數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)化爐爐管壽命預(yù)測和完整性評價的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：制氫轉(zhuǎn)化爐? 微觀組織評價 ?掃描

一.概況

制氫轉(zhuǎn)化爐投資大、能耗高，轉(zhuǎn)化爐管同時具有外取熱反應(yīng)器和壓力管道的雙重特點，其運行效率和安全性直接影響到制氫裝置的運行。在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)不同部位的轉(zhuǎn)化爐管的損傷狀況、輻射溫度受制氫爐結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化爐運行情況的影響而有所不同[1-2]，。國內(nèi)先后開展了制氫轉(zhuǎn)化爐爐管長期服役后損傷評價[3]、制氫轉(zhuǎn)化爐管損傷狀況分析與剩余壽命預(yù)測[4]、制氫轉(zhuǎn)化爐爐管服役后的安全性分析[5]等，取得了一些的試驗數(shù)據(jù)，解決了爐管壽命和完整性評價中的一些問題。在這些關(guān)于轉(zhuǎn)化爐管性能的研究中，只是針對某一段損傷爐管進(jìn)行性能試驗研究后進(jìn)行爐管的壽命預(yù)測和完整性評價，未對不同損傷級別的轉(zhuǎn)化爐管分別進(jìn)行性能試驗工作，未分析和研究不同損傷爐管性能特點，無法對不同損傷級別的爐管進(jìn)行評價和整臺轉(zhuǎn)化爐完整性的評價工作，這些問題一直困擾著科研人員。為此，收集不同損傷級別、運行時間不同的轉(zhuǎn)化爐管開展微觀組織、常規(guī)性能、高溫持久強度等性能試驗工作，分析、歸納其性能變化特征，為轉(zhuǎn)化爐爐管性能評定、壽命預(yù)測和轉(zhuǎn)化爐完整性評價提供試驗收據(jù)和理論依據(jù)。本文對爐管的掃描微觀組織進(jìn)行試驗研究，為爐管壽命預(yù)測提供數(shù)據(jù)。至于爐管常規(guī)性能、高溫持久強度等性能試驗工作，在隨后的文章中進(jìn)行論述。

二.轉(zhuǎn)化爐概況

2.1? 某企業(yè)的制氫轉(zhuǎn)化爐根據(jù)TeChnip公司工藝包進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計及詳細(xì)設(shè)計，于2009年9月投用。轉(zhuǎn)化爐輻射段爐管共有252根，分6列垂直排列，每列42根，規(guī)格為ID110×14，材質(zhì)25Cr35NiNb-MA，每根爐管中心間距為290 mm，爐管總長為12930 mm，有效加熱長度為12000 mm，設(shè)計溫度960 ℃。

2.2 轉(zhuǎn)化爐管的損傷級別

爐管的無損檢測評價方法主要是通過水浸超聲透射方法檢測爐管的蠕變損傷，并將超聲衰減程度劃分為A、B、C三個級別或類似的四至五個級別。最早的標(biāo)準(zhǔn)來自美國CONAM公司[6]，它以聲耗30%、70%兩個階梯，簡單地把爐管劃分為A、B、C 三個級別，并且認(rèn)為A級管剩余壽命在40000-50000h;B級管剩余壽命在20000h以上;而C級管剩余壽命不足一個使用周期，應(yīng)予以立即更換。國內(nèi)專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)在做了大量的剖管工作和計算分析之后，認(rèn)為原標(biāo)準(zhǔn)評判過嚴(yán)，把C級管標(biāo)準(zhǔn)改為聲耗率在90%以上。

該制氫轉(zhuǎn)化爐爐管于2011年、2014年、2015年進(jìn)行過檢測工作[1]，依據(jù)有關(guān)爐管標(biāo)準(zhǔn)[7-10]和檢測公司內(nèi)部《制氫轉(zhuǎn)化爐輻射段爐管檢測評定準(zhǔn)則》進(jìn)行檢測和結(jié)果評定，轉(zhuǎn)化爐爐管的損傷級別評定為A級、B級、B嚴(yán)重級，未檢測出損傷級別為B+、C的轉(zhuǎn)化爐管，同一根爐管上存在著A級、B級、B嚴(yán)重級的不同損傷級別[1]。

三.試驗方案

對更換下來的眾多轉(zhuǎn)化爐管的外徑、薄厚、蠕脹、腐蝕、磁性等進(jìn)行觀察和檢測，爐管無明顯結(jié)構(gòu)尺寸變化和腐蝕情況。于是隨機(jī)在2015年大修更換下來的轉(zhuǎn)化爐管中，選取編號為113、114、117的轉(zhuǎn)化爐管上的損傷級別為A級、B級、B嚴(yán)重級的部位試樣進(jìn)行了電鏡掃描檢測。

四.爐管試樣掃描電鏡檢測

4.1不同損傷級別的爐管試樣掃描電鏡檢測

選取編號113-3（B嚴(yán)重級）、113-7（B級）、113-18（A級）的爐管試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，如圖1（1-3）、2（1-7）、3所示。

分析爐管損傷部位B嚴(yán)重級、B級和A級的掃描電鏡照片，可以觀察到爐管試樣的外表面存在氧化層，內(nèi)表面存在貧碳化物區(qū)，基體組織為晶界粗化的共晶碳化物以及晶內(nèi)大量彌散分布的二次碳化物，晶界邊緣可見少量微孔洞。對于B嚴(yán)重級、B級損傷部位，有針狀σ相存在。對比掃描電鏡照片分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著爐管損傷級別的增加，共晶碳化物形成的骨架越趨向于球型化，大骨架斷裂逐漸形成較小骨架，二次碳化物在晶粒內(nèi)彌散分布量也趨于增大。

對爐管試樣進(jìn)行能譜分析，爐管組織中骨架上存在著兩種碳化物，一種為Cr23C6型碳化物如圖2（3）所示;另一種為Ni-Si-Nb型碳化物如圖2（4）所示，即G相。該碳化物一般在900-1100℃時效過程中由NbC轉(zhuǎn)化析出，其邊界容易成為蠕變孔洞及裂紋形核位置;基體以Cr18Ni33為主如圖2（5）所示;外表面的氧化層則以相似于Cr12O3成分為主如圖2（6）所示;晶界處的σ相以相似于Cr31Ni6成分為主如圖2（7）所示。

五.結(jié)論

5.1 分析爐管損傷部位B嚴(yán)重級、B級和A級的掃描電鏡照片，可以觀察到爐管試樣的外表面存在氧化層，內(nèi)表面存在貧碳化物區(qū)，基體組織為晶界粗化的共晶碳化物以及晶內(nèi)大量彌散分布的二次碳化物，晶界邊緣可見少量微孔洞。

5.2 對于B嚴(yán)重級、B級損傷部位，有針狀σ相存在。對比掃描電鏡照片分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著爐管損傷級別的增加，共晶碳化物形成的骨架越趨向于球型化，大骨架斷裂逐漸形成較小骨架，二次碳化物在晶粒內(nèi)彌散分布量也趨于增大。

5.3 制氫轉(zhuǎn)化爐管經(jīng)過長期高溫運行后，其組織為過飽和的奧氏體加骨架狀共晶碳化物（主要是M23C6和Ni-Si-Nb），共晶碳化物呈骨架狀分布于晶界與枝晶間，奧氏體中析出二次碳化物和σ相等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

馮穎果（1986年10月21日生- ），男，2008年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)，本科，工程師，主要從事特種設(shè)備檢測、金屬材料實驗和特種設(shè)備評價工作，Email：fyingguo@163.com。