煉油廠制氫爐不同損傷級(jí)別爐管的微觀組織評(píng)價(jià)（三）—爐管掃描微觀組織評(píng)價(jià)

馮穎果　趙同同　武彬　姜麗秀　朱秉奎

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

關(guān)鍵詞：制氫轉(zhuǎn)化爐? 微觀組織評(píng)價(jià) ?掃描

一.概況

制氫轉(zhuǎn)化爐投資大、能耗高，轉(zhuǎn)化爐管同時(shí)具有外取熱反應(yīng)器和壓力管道的雙重特點(diǎn)，其運(yùn)行效率和安全性直接影響到制氫裝置的運(yùn)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(yùn)行情況的影響而有所不同[1-2]，。國(guó)內(nèi)先后開(kāi)展了制氫轉(zhuǎn)化爐爐管長(zhǎng)期服役后損傷評(píng)價(jià)[3]、制氫轉(zhuǎn)化爐管損傷狀況分析與剩余壽命預(yù)測(cè)[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(yàn)數(shù)據(jù)，解決了爐管壽命和完整性評(píng)價(jià)中的一些問(wèn)題。在這些關(guān)于轉(zhuǎn)化爐管性能的研究中，只是針對(duì)某一段損傷爐管進(jìn)行性能試驗(yàn)研究后進(jìn)行爐管的壽命預(yù)測(cè)和完整性評(píng)價(jià)，未對(duì)不同損傷級(jí)別的轉(zhuǎn)化爐管分別進(jìn)行性能試驗(yàn)工作，未分析和研究不同損傷爐管性能特點(diǎn)，無(wú)法對(duì)不同損傷級(jí)別的爐管進(jìn)行評(píng)價(jià)和整臺(tái)轉(zhuǎn)化爐完整性的評(píng)價(jià)工作，這些問(wèn)題一直困擾著科研人員。為此，收集不同損傷級(jí)別、運(yùn)行時(shí)間不同的轉(zhuǎn)化爐管開(kāi)展微觀組織、常規(guī)性能、高溫持久強(qiáng)度等性能試驗(yàn)工作，分析、歸納其性能變化特征，為轉(zhuǎn)化爐爐管性能評(píng)定、壽命預(yù)測(cè)和轉(zhuǎn)化爐完整性評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)收據(jù)和理論依據(jù)。本文對(duì)爐管的掃描微觀組織進(jìn)行試驗(yàn)研究，為爐管壽命預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)。至于爐管常規(guī)性能、高溫持久強(qiáng)度等性能試驗(yàn)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(jì)及詳細(xì)設(shè)計(jì)，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(zhǎng)為12930 mm，有效加熱長(zhǎng)度為12000 mm，設(shè)計(jì)溫度960 ℃。

2.2 轉(zhuǎn)化爐管的損傷級(jí)別

爐管的無(wú)損檢測(cè)評(píng)價(jià)方法主要是通過(guò)水浸超聲透射方法檢測(cè)爐管的蠕變損傷，并將超聲衰減程度劃分為A、B、C三個(gè)級(jí)別或類(lèi)似的四至五個(gè)級(jí)別。最早的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)自美國(guó)CONAM公司[6]，它以聲耗30%、70%兩個(gè)階梯，簡(jiǎn)單地把爐管劃分為A、B、C 三個(gè)級(jí)別，并且認(rèn)為A級(jí)管剩余壽命在40000-50000h;B級(jí)管剩余壽命在20000h以上;而C級(jí)管剩余壽命不足一個(gè)使用周期，應(yīng)予以立即更換。國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在做了大量的剖管工作和計(jì)算分析之后，認(rèn)為原標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判過(guò)嚴(yán)，把C級(jí)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(guò)檢測(cè)工作[1]，依據(jù)有關(guān)爐管標(biāo)準(zhǔn)[7-10]和檢測(cè)公司內(nèi)部《制氫轉(zhuǎn)化爐輻射段爐管檢測(cè)評(píng)定準(zhǔn)則》進(jìn)行檢測(cè)和結(jié)果評(píng)定，轉(zhuǎn)化爐爐管的損傷級(jí)別評(píng)定為A級(jí)、B級(jí)、B嚴(yán)重級(jí)，未檢測(cè)出損傷級(jí)別為B+、C的轉(zhuǎn)化爐管，同一根爐管上存在著A級(jí)、B級(jí)、B嚴(yán)重級(jí)的不同損傷級(jí)別[1]。

三.試驗(yàn)方案

對(duì)更換下來(lái)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(cè)，爐管無(wú)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(lái)的轉(zhuǎn)化爐管中，選取編號(hào)為113、114、117的轉(zhuǎn)化爐管上的損傷級(jí)別為A級(jí)、B級(jí)、B嚴(yán)重級(jí)的部位試樣進(jìn)行了電鏡掃描檢測(cè)。

四.爐管試樣掃描電鏡檢測(cè)

4.1不同損傷級(jí)別的爐管試樣掃描電鏡檢測(cè)

選取編號(hào)113-3（B嚴(yán)重級(jí)）、113-7（B級(jí)）、113-18（A級(jí)）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(jí)、B級(jí)和A級(jí)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(jiàn)少量微孔洞。對(duì)于B嚴(yán)重級(jí)、B級(jí)損傷部位，有針狀σ相存在。對(duì)比掃描電鏡照片分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著爐管損傷級(jí)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(duì)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(shí)效過(guò)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(jí)、B級(jí)和A級(jí)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(jiàn)少量微孔洞。

5.2 對(duì)于B嚴(yán)重級(jí)、B級(jí)損傷部位，有針狀σ相存在。對(duì)比掃描電鏡照片分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著爐管損傷級(jí)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(guò)長(zhǎng)期高溫運(yùn)行后，其組織為過(guò)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(jiǎn)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(zhuān)業(yè)，本科，工程師，主要從事特種設(shè)備檢測(cè)、金屬材料實(shí)驗(yàn)和特種設(shè)備評(píng)價(jià)工作，Email：fyingguo@163.com。