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西华大学硕士研究生学位论文 合成氨转化工段高温工业炉炉管寿命预测 摘要 合成氨装置的一段转化炉多采用离心浇铸管，炉管破坏前不一定出 现明显的蠕胀，其使用寿命的预测工作早已为国内国外所重视。本文探 讨了影响炉管寿命的因素，总结了裂纹形成规律，指出了裂纹易成区域， 着重研究了超声波无损探伤技术，并使用金相着色观察、有效截面积法 对超声波探伤结果进行验证。最后形成了有效截面积法和超声波无损探 伤技术相结合的、在工程上实际有效的预测方法。 关键词：炉管寿命预测超声波无损探伤有效壁厚法 西华大学硕士研究生学位论文 t h e p r e d i c t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ep r i m a r y r e f o r m e r ss e r v i c el i f e i na m m o n i a p l a n t a b s t r a c t h i g ht e m p e r a t u r ep r i m a r y r e f o r m e ri na m m o n i a p l a n tm o s t l y u s e s c e n t r i f u g a lc a s t i n gr e f o r m i n g t u b e s t h er e f o r m i n gt u b e sm i g h tn o to c c u r a p p a r e n tw r i g g l i n ge x p a n s i o n t i l lb r o k e n t h e p r e d i c t i o no fi t ss e r v i c el i f e h a sd r a w ni n t e n s i o n so fd o m e s t i ca n do v e r s e a si n d u s t r i a lc i r c l e t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h es e r v i c el i f eo ft h e r e f o r m i n gt u b e s ，s u m m a r i z e st h ef o r m i n gr e g u l a r i t yo f t u b e c r a c k i n g ， d e s c r i b e st h ea r e ao fc r a c k e a s y f o r m i n g a n d p a r t i c u l a r l y m a k e sr e s e a r c h e s o nt h et e c h n o l o g yo fu l t r a s o n i cn o n f l a wd e t e c t i o na n dv e r i f i c a t i o no nt h e r e s u l t so fu l t r a s o n i cn o n f l a w - d e t e c t i o nb y u s i n g t h em e t h o d so f m e t a l l u r g i c a ld y e - p e n e t r a t i n ga n d e f f e c t i v ec r o s ss e c t i o n a n di tc o n c l u d e s t h ea d a p t a b l er a n g eo ft h e s et w om e t h o d sa n dt h e i rd e f e c t sa n df i n d so u tt h e p r a c t i c a l l y e f f e c t i v e p r e d i c t i o nm e t h o d o n e n g a n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d ：h i g ht e m p e r a t u r e r e f o r m i n gt u b ep r e d i c t i o no f s e r v i c el i f e 2 西华大学硕士研究生学位论文 1 前言 一段转化炉是合成氨装置中的关键设备。川化股份有限公司( 以 下简称川化) 两个化肥厂的合成氨蒸汽转化炉共有4 5 6 根约十米长、壁 厚约1 8 毫米以上的离心铸造的h p n b 系列合金管。炉管长时间在9 0 0 。c 左右高温及3 5 m p a 压力下( 径向热应力峰值有时可达2 4 5 m p a ，见附录 1 ) 工作。每根炉管从顶部至底部的温度、压力均在发生变化。炉管内 装填的触媒更增加了使用条件的复杂性。而且离心铸管在设计时不易计 算由内、外壁温差产生的热应力及开、停车瞬时造成的热应力突变值。 因此不能从设计源头上确切的规定炉管的使用寿命。 高约十米、呈竖琴式排列的炉管突然破裂会造成全公司全面停车 ( 川化第一化肥厂与硝酸厂、硫酸厂、硫酸钾复肥厂联产，第二化肥厂 与三套三聚氢胺生产装置联产) ，这不仅会给工厂带来巨大的经济损失， 还会产生严重的安全事故。仅以尿素这一种产品计算，尿素历史平均价 1 2 0 0 元，吨，川化平均日产尿素2 0 6 6 吨，则停产一天仅尿素一项约损失 2 5 0 万元左右。此外，锅炉、压力容器、高温炉管等是国家严格检测和 控制的特殊设备，在生产和使用过程中，必须按压力容器安全技术监 察规程的有关规定对其进行检验或定期检测，以保证设备的正常运行 及人民生，争财产的安全。国内外氮肥装置运行经验表明：虽然设计离心 铸管时已在壁温及壁厚两个方面增加了安全系数，但炉管失效的时间仍 大大低于一般的设计寿命1 0 万小时( 1 1 4 年) 。准确预测出炉管损坏 程度和数量，是做出更换炉管或继续服役决定的基本依据。所产生的经 西华大学硕士研究生学位论文 济效益十分可观。因此，预测炉管寿命成为国际化肥化工行业极为关心 的问题。同时，通过对炉管的破坏机制及寿命预测的研究，对改进工艺 操作方法和炉管材质都有直接的参考作用。 国内外预测炉管使用寿命的方法大致可分为两大类：无损探伤和 破坏性检验。 无损探伤有很大的优越性，可不破坏炉管。常用方法汜1 有：蠕胀 变化和裂纹分布预测法、疲劳韧性法、表面金相分析法、超声波探伤法。 破坏性检验只能抽样切片检查，有一定的局限性，但可细致地弄清各种 变化，得到较深入的分析结果，应用破坏性分析预测寿命也有不少方法： 利用金相组织分析析出物大小的方法、计算蠕变孔洞面积率的方法、比 重法、持久强度外推法及孔洞、裂纹分布图等。 目前对炉管寿命预测倾向于利用长期累积数据开发计算机寿命预 测软件，或采取隔热罩技术( 或红外线测温仪等非接触温度场测温技术) 并解决高温下探测器热成象补偿技术后，开发出高温炉管实时远程监控 系统。 本文主要探讨了影响炉管寿命的因素，总结了裂纹形成规律，指 出了裂纹易成区域，着重研究了超声波无损探伤技术在高温炉管裂纹探 测的优缺点，并使用金相着色观察、有效截面积法对超声波探伤结果进 行验证。最后形成了有效截面积法和超声波无损探使技忙相结合、在工 程上实际有效的预测方法一一超探+ 计算的结合法：换个角度看，超声 波无损探伤仪也就是一种测厚仪，在对超声波探伤仪测量精度进行调整 的基础上，将测量数据作为有效壁厚法的计算数据，计算结果就是炉管 4 西华大学硕士研究生学位论文 使用寿命。 2 工艺流程简介 氨合成工艺流程简介：天然气脱硫一转化一变换一甲烷化一压缩一 合成氨3 1 氨合成的化学反应式为：3 h 2 + n 22 n h 3 + 2 6 k c a l 这是一个可逆反应，也是一个气体体积缩小的反应及放热的反应。 在上式中，n 2 来自空气，在以天然气为原料的氨合成企业中h ：来自其 中的c h 4 。一段转化炉就是将c h 4 进行转化的重要设备。其投资额一般 为氨合成装置的2 5 。 甲烷制氢的方法有蒸汽二段法和部分氧化法两种。部分氧化法比蒸 汽二段法简单，而且适应性大，但是需要空分装置、生产消耗高。川化 股份有限公司化肥厂采用了现在世界上比较普遍的蒸汽二段法。 蒸汽二段转化法是把甲烷分二次转化。 一段转化的主要反应式为： c h 4 + h 2 0 舒c o + 3 h 2 1 、q 9 3 k c a l l g - t o o l c h 4 + 2 h 2 d 铮。二d 2 + 4 日2 下- 3 9 1 k c a l i g m o l 采用二次转化的目的是为了减轻一段炉的负荷，使其能在较低的温 度下操作。第一次转化是在一段转化炉内进行。为了得到适于氨合成的 原料气，甲烷浓度必须很低( 0 2 o 5 ) ，这就必须在1 0 0 0 c c 以上的高 西华大学硕士研究生学位论文 温下进行操作。但是由于受转化管材料的限制，在3 m p a 以上的操作压 力下，目前还不可能达到此高温。在实际生产中一段转化炉管内气体温 度控制在7 6 0 8 5 0 。c 范围内，此时一段转化气中尚有8 1 0 甲烷，将 其引入二段转化炉内进行第二次转化。二段转化炉内要加入一定量的经 过预热的空气，与一段转化气中的部分h 2 ，c o ，c i - h 进行燃烧产生热 量，温度升到1 0 3 5 1 3 7 0 c c 左右，在催化剂的作用下，将剩余甲垸转 化到0 3 左右。二段转化妒空气加入量是根据氨合成所需的h 2 n 2 比 例来决定。 工艺过程简介：脱硫后的天然气( 3 2 7 7 4 n m 3 h ) ，与温度3 6 8 0 c 、 压力4 m p a c m 2 的过热蒸汽，按水碳比为3 5 5 ( 过热蒸汽7 7 7 2 1 t h ) 混 合，混合后气体总量的1 2 9 5 4 5 6 n m 3 h ，去一段转化炉对流段第一组( a e c l 0 1 ) 予热，使温度升高到5 1 0 c c ，压力3 5 2m p a c m 2 ，然后分成 十路进入十根进气支管，又通过炉内十排共四百根转化管的猪尾管由上 而下进入转化管，在管内的镍催化剂作用下，依靠顶部2 2 0 个烧咀燃烧 天然气和驰放气外部供热，进行甲烷转化反应，使甲烷含量由9 3 0 1 降到8 4 。一段炉炉膛温度约1 0 3 6 c c ，全部转化管总传热量为6 5 5 7 x1 0 3 k c a l h ，转化管管壁平均最高温度9 1 2 c c 。转化管底部出口温度8 3 4 c c 。转化气汇集于下集气管进入上升管，气体由下而上流动时迸一步被 加热，从顶部出来进入上巢气管时温度为8 6 8 0 c ，压力3 0 7m p a c m 2 。 上集气管汇集了十根上升管来的气体，在管外有水夹套，转化气体在经 过上集气管时，由于热损失，温度降到8 3 4 c c 后进入二段转化炉( 1 0 3 一d ) 。转化气进入二段炉顶部与中压蒸汽透平带动的二缸四段的空压 6 西华大学硕士研究生学位论文 机( 1 0 1 一j ) 压缩的工艺空气和蒸气混合迸x _ s - 段炉。空气加入量按氨 合成所需要的h f f n e 加入。 混合气总量为4 3 8 7 8 n m 3 l l ，其中空气量3 5 8 0 1n m 3 h ，蒸气 6 4 5 6 t h 。进入二段炉之前，先经过一段转化炉对流段第二组予热，温 度达到4 5 4 c c 后再进入转化炉顶部混合器，在二段炉顶部工艺空气和转 化气燃烧，以供给工艺气进一步转化所需能量。这样，气体通过催化剂 后，工艺气中甲烷进一步转化，在出口温度1 0 0 6 c c 下残余甲烷可降到 0 3 。 工艺流程图见附录2 。 3 影响炉管寿命的因素 3 1 影响炉管寿命的因素 炉管寿命是由内外两种因素共同作用决定的。其中内因是指离心 铸管的原始形态，包括了炉管的化学组分、微观组织( 金相结构) 及铸 造工艺；外因是指炉管使用时的运行历史，包括开、停车时的热疲劳、 表面腐蚀、o - 相形成机理、蠕交断裂、烧嘴火焰均匀程度、触媒板结( 搭 桥现象、。 西华大学硕士研究生学位论文 3 2 ，原始形态对寿命的影响 3 2 1 炉管的化学组分 化肥化工行业常用h k 一4 0 、h p 一5 0 、h p n b 等耐热合金经离心浇铸 成高温炉管。各种各样的转化炉炉管合金在导热率、热膨胀特性等方面 未菇有显著不同，只是在所需燕通量及炉管壁厚上存在差异“! 。因此， 本文以h k 一4 0 钢为例进行分析。h k 一4 0 的主要合金元素是c r 、n i 、c ( 0 4 c 一2 5 c r 一2 0 n i ) 。其中c r 和n i 的波动范围较小，按标准规定约为 士8 ，而实际波动一般不超过土3 。碳的波动范围较大，按标准规定 1 2 5 ，而实际波动范围达2 0 。另一方面，c r 和n i 是置换型固溶元素， 其成分波动对机械性能的影响较小；而碳是主要的强化元素，其含量的 波动对机械性能的影响较大。 实验证明：含碳量的提高可使材质的持久强度提高哺。其影响如 图l 。 在h k 一4 0 钢的标准含碳量范围内( o 3 5 o 4 5 ) ，持久强度随含碳 8 。q 。 二 m 譬 墨 ；： 兰 f 碉 l ! ! ! ! ! 兰1 0 0o 2n06o h t h e 锄i d no f c a m n ( w e i g h t ) 目l2 5 c r 2 0 n i 蛔十音蕞量与持a 9 座曲* l 西华大学硕士研究生学位论文 量的增加而显著增加。碳对h k 一4 0 钢持久强度的影响主要是通过共晶碳 化物数量来起作用。含碳量越高，铸态组织中的共晶碳化物量越多。这 种骨架状共晶碳化物沿晶界分布，阻碍晶界滑移而提高了高温强度。 但碳含量在i l k 一4 0 内对炉管的持久强度的影响不是绝对的。在高 温合金结构设计中，寿命设计广泛采用等温线外推法和各种时间一温度 法外推工作条件下构件的使用寿命。从长时持久数据看 ，碳含量高的 材质常在1 万小时以内有较高的强度，但曲线斜率大，外推至1 0 万小 时的数据不一定高于碳含量稍低的材质。在被检验的炉管中可以观察到 有些炉管首先破坏的管段是碳含量较低的部分，但也可以观察到不少相 反的情况。因此，碳只是一个值得注意的元素，但不是对寿命起决定性 作用的元素。镍、铬的元素对炉管寿命也有一定影响。 3 2 2 微观组织 炉管的微观组织由于离心铸造时浇注温度、型筒厚度、涂层厚度 及冷却条件的不同，其结晶状况1 也不同。有的几乎垒部为柱状 晶；有的内部为等轴晶，外部为柱状晶；还有内、外均为柱状晶，中间 为等轴晶。而且结晶还有粗细不同的情况。微观组织对持久性能影响尚 无统一结论。只是对炉管进行分析时，能在高温、热应力区发现全柱状 晶的较混合组织先行开裂。但由于炉管受力方向与柱状晶平行层相垂 直，因此强度降低，而裂纹在柱状品较平直的晶界上应较等轴晶扩展更 快，所l ；i 全柱状晶对炉管寿命可能有不利影响。 9 西华大学硕士研究生学位论文 3 2 3 二次碳化物对机械性能的影响 离心铸管的原有显微组织大致为：晶界上、特别是在晶界交叉处 有一次( c r ，f e ，c ，型碳化物，晶内析出物很少，有时有片层组织。 使用后显微组织的变化主要取决于材料的使用条件：温度、应力 及时间。分析的炉管大致有两种情况。一种是使用温度较高的，主要析 出相为( c r ，f e ) ：，c 。，没有或很少盯相；另一种是使用温度较低，主要析 出物为( c r ，f e ) ：，c 。和仃相。 盯相为f e c r 系共析物，在8 0 0 一i 0 5 0 0 c 时析出，成分不是 很固定，有些波动。大致范围如下：c r 、f e 均在4 0 以上，二者共占 8 5 9 0 ，n b 为7 1 0 ，s i 为2 5 - 5 ，m n 为0 i - 1 4 ，相中无c 存在。 组织变化的过程大致是：骨架状( o r ，f e ) ，c ，一次碳化物逐渐转变 成网链状，在晶界上析出的块状( c r ，f e ) ，c 。沿晶分布，晶内析出细小的 ( o r ，f e ) 。，c 。随时间的延长，晶界上析出物成串排列，晶内( c r ，f e ) ：，c 。 逐渐长大聚集，而晶界附近贫析出物区逐渐加宽。在温度、应力适应的 条件下析出仃相：转化管上部温度低( 应力可能稍大) ，产生针状及块 状仃相；中部及下部管段的盯相主要为沿晶的块状盯相。 1 0 西华大学硕士研究生学位论文 h k 一4 0 钢在长期高温使用过程中二次碳化物逐渐粗化，粗化的 速率取决于温度和时间。可以认为提高温度和延长时间对二次碳化物的 粗化是等价的。而采用一个温度参数t ( i g t + c ) 来表示二次碳化物粗 化程度。这表明二次碳化物的粗化和蠕变损伤的积累是同步的1 2 ，二 次碳化物的粗化程度在一定程度上可以反映材料的蠕变损伤程度。图2 ， z t 一“一 ，一u ， ，： 2 7 圈2长期使用后的腿一4 0 管中( o 3 e o c ) 堆氏硬度与持久断裂 时闻的关乐l k g f r a m 2 = 9 8 0 7 m p a 是长期使用后的h k - - 4 0 钢的维氏硬度与持久强度的关系。硬度的高低 反映二次碳化物的粗化程度。图中数据是含碳量在0 3 8 0 4 9 炉管的 持久强度。从图中可以看出，二次碳化物越粗化即硬度越低持久强度越 低。随着硬度的提高持久强度也随之提高，但硬度超过h v 2 5 0 后持久强 度不再提高或略微降低。 们 如 驰 蛐 蚰 如 拍 加 葺匿蕾碡苷 西筚大学硕士研究生学位论文 图3 是蠕变断裂延伸率与维氏硬度的关系。硬度越高即二次碳化 物越弥散则延伸率越低，但硬度超过h v 2 5 0 时延伸率急剧降低到1 以 5 0 45 4 0 享3 5 辑3 0 量 埘25 碡 翥2 0 蟹l 5 l 0 5 o 1 8 02 0 02 202 4 02 6 028 0 。雏氏硬度，k g f r n 2 圜 固3长期使用过的h k 一40 管材料的硬度与蠕变断裂延伸率 的关 i k g f ，l n 2 = 9 8 0 7 m p a 下。一般来说延伸率低，表明蠕变第三期短。硬度超过h v 2 5 0 后蠕变断 裂时间反而降低，这可能和二次碳化物极为弥散时塑性大大降低从而缩 短蠕变第三期有关。 蠕变4 1 第三期特征是空洞与裂纹的形成和发展。为了进一步弄 清上述随二次碳化物的粗化材料的高温强度特性的变化，对铸态及时效 试样作了蠕变裂纹扩展试验。图4 是铸态及8 7 1 0 c 时效试样的蠕变裂纹 西华大学硕士研究生学位论文 扩展速率和时效时间的关系。图5 是上述试样裂纹失稳扩展的临界加载 点位移8 。与时效时间的关系。 1 4 o 2x 1 0 0 04x 1 0 0 06x 1 0 0 08x 1 0 0 0 时效时间，h 图4 预先时效时间与蠕变裂纹扩展速度及断裂时间的关系 从图中可以看出，在5 0 0 0 小时以内时效时间越短即二次碳化物 愈弥散，塑性越差，裂纹扩展速率越快，断裂时间越短。超过5 0 0 0 小 时后虽然塑性进一步提高但裂纹扩展速率反而加快。 综合图2 、3 、4 、5 可以看出，h k 一4 0 钢的蠕变断裂时间取决于 强童和塑性的配合。当二次碳化物弥散度很高时材料的蠕变抗：j 大，但 塑性很低，裂纹扩展抗力低，蠕变第三期短，总的断裂时问短。当二次 碳化物严重粗化时虽然塑性良好但蠕变抗力过分降低，也使蠕变裂纹扩 展抗力降低，因而断裂时间短。只有二次碳化物弥散度适中即中等硬度 西华大学硕士研究生学位论文 范围内材料的强度与塑性有良好的配合，持久断裂寿命最长。 0 12 3456789i 0 时效时间。x 1 0 0 0 h 图5 预先时效时问与临界加载点住移的关系 3 2 4 晶界碳化物对机械强度的影响 晶界碳化物在时效初期有( c r ，f e ) ，c ，转变为( o r ，f e ) ：，c ；，其形态 由骨架状逐渐转变成网链状。在长期运行过程中随着二次碳化物的粗 化，晶界碳化物量也增加，如图6 。由于含碳量不同时铸态共晶碳化物 也不同，因此数据比较分散，但可以看出随着硬度的降低即二次碳化物 的粗化则晶界碳化物的体积分数反而增加。晶界碳化物的上述形态和数 量的变化将对材料的蠕变性能产生影响。图7 比较了骨架状共晶碳化物 与网链状晶界碳化物对蠕变断裂强度的影响。铸态直接时效，在较低温 度时效试样中保留骨架状晶界碳化物的形态。其断裂强度高于固溶处理 后呈网链状晶界碳化物的试样。在高温时效，铸态骨架状共晶碳化物转 1 4 ；i i 6 3 i i i o g，u 西华大学硕士研究生学位论文 变成网链状，其断裂强度与固溶试样无明显差别。与网链状晶界碳化物 比较，骨架状形态提高材料的蠕变断裂强度可能是由于晶界曲折而阻止 晶界滑移和裂纹扩展所致。 在长期实际使用的炉管中晶界碳化物的形态已变成网链状，随着 运行时间增长，主要是品界碳化物的体积分数和晶界覆盖率增加。一般 来说，晶界碳化物的晶界覆盖率增加时蠕变强度提高，但是晶界相增加 到呈连续网状时由于裂纹易于扩展而对强度反而起着不利的作用。 另外，在蠕变中晶界和晶内要协调变形，晶界碳化物的作用和晶 内强化程度有关。二次碳化物的弥散度不同导致晶内强化程度不同。同 。1 8 。2 0 02 2 02 4 02 6 02 8 堆0 氏硬度，k g f ，舯21 8 0 圈6 长期使用过的妒管中晶界碳化物的体积分敷与硬度的关 系 时，晶界碳化物的作用也可能不同。 6 4 2 霉酥奄纂母譬莓掣帮噼喀 西华大学硕士研究生学位论文 总之，晶界碳化物的形态、数量随二次碳化物粗化而变化，其对 机械性能的影响不仅和本身的形态数量有关，还和晶内二次碳化物的粗 化程度有关。在h k 一4 0 中，难以做到在固定晶内碳化物的情况下改变晶 界碳化物的形态和数量，因此分离出品界碳化物本身的作用是比较困难 的。 1 0 0 0 t 8 0 0 善6 0 0 斟 着4 0 0 制 擘2 0 0 0 7 0 08 0 0 9 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 时效温度， f 闶 i 堕奎i 图7 铸态时效和固溶时效试样的持久强度固溶处理时间 1 2 0 0 e c h 时效时间2 0 0 h 。b 7 1 。c ，5 0 m p a 3 2 5 盯相对机械性能的影响 相对长期运行管的持久性能的影响如图8 所示。仃相的体积分数 小于3 ，同时只有部分晶界碳化物转变成叮相的材料，其蠕变断裂时 间与未析出叮相的材料无明显差别。6 r 相的体积分数大于4 ，且大部 分晶界碳化物已转变成仃相的材料的断裂时间低于未析出o r 相的材料。 可见a 相的析出量较多时对蠕变性能有一定有害作用。另外，含碳量较 低的材料中易析出仃相，图8 中的结果除了叮相的作用外还含有含碳量 西华大学硕士研究生学位论文 的影响，从中还不能完全分离出。相的作用。 o 相对高温拉伸性能的影响如图8 所示。无论是对强度和塑性 仃相均无明显影响。 5 0 0 圣a s o - 簧4 0 0 堪 螭3 5 0 3 0 0 234567891 0 口相的体积分数 图8c r 2 5 n i 2 0 钢中口相对高温短时拉伸性能的影响 相对c r 2 5 n i 2 0 钢常温机械性能的影响如表1 所示。叮相对常 温强度影响不大但强烈地降低常温塑性和韧性。 表1 盯相析出量与常温拉伸性能的关系 合碳量z ( 重叮相体积分拉伸强度延伸率冲击韧性 量)数 m p ak g f m c m 2 0 0 31 8 4 3 22 01 0 0 62 2 6 5 2 6 61 5 6 5 3 93 5 西华大学硕士研究生学位论文 3 2 6 材料韧性 大部分材料的韧性可以分为两种类型。第一种类型，蠕变断裂韧 性不随应变率的变化发生明显变化，因此韧性是一个简单值。第二种类 型，比如h p 一5 0 等耐热钢这样的合金，其蠕变断裂韧性的变化是十分复 杂的，呈现出低应变率下低韧性、高应变率下高位韧性的倾向。拉伸性 能更适合表述在极高的应变率下的材料特性，因此常常用来表示蠕变韧 性的上限。对于h p 一5 0 、h k 4 0 等合金，在操作温度下其典型伸长率超过 2 5 的情况时有报导引。在长期蠕变的低应变率情况下，材料的韧性一 般都很低。 3 3 运行历史对寿命的影响 3 3 1 热疲劳 对使用4 - 6 万小时的转化管进行室温机械性能实验，结果发现很 多炉管拉伸强度极限仍保持相当高的水平( 大于原标准值) ，但延伸率 已下降很多。用室温机械性能不能预测寿命，但取直径较大的试样时， 其拉伸强度可反映出炉管的明显损伤。 开车瞬时管内侧受拉，外仉受压；停车时受力情况相反，这对材 料造成一种拉压疲劳。而且由于突然升、降温，短时产生的较大温差会 对材料某部位形成峰值极大的应力集中。有的研究者作了开停车次数对 寿命影响的实验们，说明五焦主这熬熊垒，羞金缠垣速度就金熊迭。 西华大学硕士研究生学位论文 3 3 2 内外表面腐蚀 转化管外表面主要是氧化、脱碳，使用几万小时后也只有很薄的 一层脱碳层，影响不大。但对于炉型不好的炉管，或卡死干烧的炉管， 不仅表面脱碳层增厚，同时也会发生沿晶氧化。 内表面受介质影响，主要发生渗碳及氧化，长期使用后有明显的 渗碳层，渗碳后形成以铬为主的碳化物，然后又氧化，而碳向内继续碳 化。一般炉管内表面疏松层未去除，所以腐蚀层对有效的母材影响很小。 焊接接头处由于内表面疏松层已经去除，腐蚀层已进入炉管有效壁厚。 此层随炉管使用温度、时间而不同，温度的影响很明显。从检查结果看， 使用7 8 万小时后，还未达到影响炉管寿命的程度。 3 3 3 蠕变断裂 炉管的蠕变断裂儿“”3 是实际炉管断裂的主导因素。炉管的 蠕变断裂是一个在应力应变速率场作用下，伴随着应力松弛损坏而产生 的、由开裂与裂纹扩展( 由内壁逐步向外壁发展) 而导致炉管破坏的过 程。 3 3 4 烧嘴安装方式 从川化第一化肥厂( 国内第一套国产化2 0 万吨合成氨厂) 的工作 记录来看，炉子结构和顶部烧嘴的安装方式对炉管寿命也有很大影响。 一化厂一段炉的炉管在每次大修时都要进行趣声波探测，探测时结果表 1 9 西华大学硕士研究生学位论文 明可继续使用一个检修期。但在开车后却常常出现炉管泄漏的现象。而 且往往集中在第1 排炉管中。通过红外线测温仪定时检测，可见高温区 集中在第1 排炉管附近。第l 排炉管顶部烧嘴的温度也高于其它各排烧 嘴温度。在2 0 0 2 年大修时着重注意了第l 排炉管顶部烧嘴的安装质量， 但高温现象仍然存在。由此可判断一段炉炉子结构是造成高温集中的原 因。图中一段炉应为矩型，但实际测量表明一段炉第1 排炉管位置处呈 1 2 0 左右的梯型。高温显然在这段区域集中。 送 一段炉 第1 排炉管 ，、第2 排炉管 迥矿_ 、 昏l 丫 7| 、。，翻抽= 土啊 3 3 5 管内触媒板结 在解剖废管时，常常能发现管内镍基催化剂载体出现触媒搭桥现 象。这对炉管寿命显然是不利的。在触媒搭桥区肯定会出现超温现象， 紧贴此区域的炉管会产生超出正常范围的热应力。因此，在选取触媒时 一定要选择下勇引起板结的触媒形状和结构。 2 0 西华大学硕士研究生学位论文 4 裂纹形成规律 4 1 炉管管段及焊接接头处损伤规律 4 1 1 管段 从对使用后炉管的分析可发现：炉管破坏的机制和一般高温合金 耐热铸钢在高温、低应力下蠕变破坏的机制是相同的。在晶界特别是树 枝状晶界上先形成孔洞，逐渐联成裂纹，裂纹沿晶发展。 由于铸钢结晶的缘故，在晶界碳化物处会出现很多夹杂物。炉管 开始出现损伤的部位是在晶界夹杂处、o - 相碳化物与基体交界处，首先 形成蠕变孔洞，逐渐形成微裂纹，再发展为裂纹，然后沿晶界延伸。分 析结果表明，炉管的损伤过程都有裂纹的孕育一萌生一扩展的过程。这个 过程与原铸造组织及钢种成分、使用条件有关。在基本上正常操作的情 况下，此过程不会在较短的时间内完成。 管段处损伤情况是：纵向看，查高逞旦由，处壁暹差盍曲区域苴 盏篮裂，裂筮是垫自的。从管子的横截面看，堕由塞亟约! 3 二! 4 壁 厘处先庄生担笾。裂纹在横截面上是径向的，与主应力相垂直。 4 1 2 焊接接头 在焊接接头处有两种缺陷：一种为夹渣，一般在焊接道次之间， 长时间使用后未发生大的变化；一种为焊接热裂纹，在焊缝中与管壁内 西华大学硕士研究生学位论文 表面垂直。在蠕变实验中，带有热裂纹的全壁厚试样由此裂纹处破裂。 长时间正常使用后，在焊接接头出现的裂纹都在焊缝的热影响 区。这种裂纹由管的内表面开始呈环向向管壁发展，与轴向力相垂直。 由于与管内气氛相通，裂纹较粗，表面氧化( 有些裂纹表层渗碳) 。这 种裂纹常先于管段上的裂纹产生。这与焊接时造成的应力及焊接时对附 近材料的组织影响有关。 因炉管壁厚，焊接是多层进行的。焊接造成的应力较复杂。一般 焊缝两侧内表面处有两个应力区：受拉应力区。对锅炉钢管测量及计算 的应力值约1 3 0 3 5 0 m p a 。转化管壁更厚，又是奥氏体铸钢，残余应力 会更大。即使在9 0 0 0 c 长时工作，也很难全部松弛。对于压力不大的转 化管( 计算应力1 0 m p a 左右) ，此残余应力也不能忽视。此处的组织不 仅为晶界上析出的块状碳化物及盯相，晶内也出现很多针状、棒状口相 及碳化物。这会使材料性能，特别是塑性变差，对松弛应力不利。 焊缝附近形成的这个残余应力大、组织不好的区域，在高温、内 压及热应力，特别是开停车的疲劳作用下，可能成为应力集中处而提前 破裂，这与检验的结果相符。在正常生产中由于部分应力得到松弛而没 有加速裂纹的扩展。 从分析的结果看，焊接接头在内、外温差大的( 即热应力大) 两 个焊缝附近首先产生裂纹。焊缝附近裂纹发展的情况：一般在内表面距 焊根几毫米处开裂，裂纹向管壁发展，但一般止于焊缝边界。裂纹距焊 根越远，发展越深入，且均发展到近焊缝边界处。这说明裂纹沿铸管晶 界发展较进入焊缝容易。这种发展情况也使焊接接头裂纹发展至穿管的 西华大学硕士研究生学位论文 速度减慢了。根据分析，焊接接头首先出现裂纹( 4 万小时后即可发现) ， 但其发展速度较管段慢。更长的时间后，管段裂纹发展深度较焊接接头 更远。因此，在一般情况下，可根据管段裂纹深度来判断寿命。 4 2 裂纹易成区域 4 2 1 由内压引起的应力 内压从顶部到底部是不相同的，大致在3 1 7 3 5 5 m p a 范围内1 8 o 管壁上为二种应力其中径向力最大，轴向力只有径向力的一半左右径 向力最大为8 4 1 3 3 m p a ( 壁厚取1 8 6 m ，平均直径取9 4 i m m ，压力取 3 5 m p a ) 4 2 2 内、外壁温差引起的应力 炉管各部分内、外壁温差在2 8 4 i 0 1 。c 范围内按温差5 0 。c 计算， 瞬时最大热应力可达7 4 8 5 m p a 轴向热应力比径向热应力稍小，这种 热应力在内半壁大致为拉力，外半壁为压力 4 2 3 热应力的松弛 由内压引起的应力是不变的，由温差引起的热应力可随温度、时间 的变化而松弛：温度越高，应力松弛越快 西华大学硕士研究生学位论文 4 2 4 长时内、外温差造成材料性能的差异 虽然材质相同，但温度相差5 0 以上，则材料的持久强度可相差近 一个数量级所以可认为内、外壁长期承受较大温差时，即相当于在同样 温度下外壁加大了应力。 4 3 结论 综合以上情况，径向应力是最高值。因此，烂篁曲璧拯廑丛塾血型 筮盘圭，这与检验结果是相符的。由于多种应力共同作用，查由生壁堡 由塞耍= 邀遁直矬厘杰量盘。裂筮垒卣此处庄生。由于整个壁厚部分压 力分布不完全相同，特别是考虑到热应力作用将使内半壁应力明显大于 外半壁，这也是造成裂纹向内和向外发展速度不同的原因。 根据应力( 内压力、热应力) 及温度两个条件考虑：二题丛亟塑2 二 ! 苤左盘盏壶逞、直廑杰匡，螳篁绝盘垒数塑在达仝匡埴苴先被篮叠。 而不在内外温差大( 即热应力大) 但温度较低处破坏( 从顶部往下2 米处) ；也不在平均壁温高，但内外壁温差小区域破坏( 从底部往上2 米处) 。检验结果发现损伤最严重的均在高温、高应力区。 西华大学硕士研究生学位论文 5 超声波无损探伤技术 5 1 寿命预测方法 5 1 1 简介 国际上预测炉管寿命的方法有两大类：无损探伤( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，n d t ) 和破坏检验。 无损探伤有着很大的优越性“9 1 ，可不破坏炉管，如：测量蠕胀变 化、观察表面组织变化及超声波探伤等。前两种方法较方便，但有些炉 管破坏前蠕胀很小、测量数据变化不明显；有些炉管的表面金相变化常 与内部组织不完全相同，而且常出现脱碳及沿晶界氧化，常常造成对组 织的错误判断；超声波探伤的方法较好，可较快地反映出全部炉管的损 伤情况。但炉管损伤和表面情况等也影响超声波的结果，另外，炉管内 部情况的变化亦不清楚，因此超声波探伤的方法也可能出现偏差。还有 根据长期累积的经验数据建立数学模型，按特定程序计算裂纹分布状况 的方法。 一 破坏性检验只能抽样检查，有一定的局限性，但可细致地弄清各种 变化，得到较深入的分析结果，应用破坏性分析预测寿命也有不少方法： 利用金相组织分析析出物大小的方法、计算蠕变孔洞面积率的方法、比 重法、持久强度外推法及孔洞、裂纹分布图等。 西华大学硕士研究生学位论文 5 1 ，2 超声波无损探伤技术的基本原理 基本原理f 2 0 1 超声波无损探伤是充水探头超声波探伤的一种。该 技术通过发射探头发出超声波，经过水耦合剂形成的薄膜将声波折射进 钢中，通过炉管钢体的声波由接收探头接收。探头所接收的超声波能量 大小取决于炉管超声波传导性能的好坏，即取决于炉管内蠕变裂纹的严 重程度：不同程度的蠕变裂纹吸收能量的程度不同，因此传递到接收探 头的声波能量就不相同。 5 2 超声波无损探伤技术在高温炉管裂纹测量上的运用t 2 1 1 2 2 1 5 2 1 超声波波形判定准则与方法 裂纹 由于裂纹内含有气体，属于钢空气界面，声压反射率高，回波高 度大，波峰较宽，多峰。从两侧面探测时，波幅不同。超声波对裂纹较 西华大学硕士研究生学位论文 敏感，一般以最大回波高度作为判断裂纹性质的依据，探测面合适时， 裂纹缺陷回波较高，反射强烈。 未熔合 坡口层间未熔合，片状缺陷类似裂纹，但表面比裂纹光滑，实际是 n l ；9 ：入卜；_ | ! 矾 l 。 娄 i ：yn ： ，。 | i ： 1 ，| ll ， 1 j l i ， ， n ， i | i i | 1 i i i n i 。ni _ v 123456789 1 0 1 11 21 3 1 4 时间s 来熔舍波形示意图 一种虚焊，使焊缝的有效截面积减少，在交变载荷作用下，应力高度集 中，使构件的机械强度降低、塑性下降，导致焊缝开裂。探头折射角合 适时回波较高，从焊缝两侧探测时，反射幅度不同。 未焊透 西华大学硕士研究生学位论文 未焊透呈线状式条纹，一般在焊缝中部和根部，波幅较高，探头平 移时，波形较稳定。两侧探测时，得到大致相同的反射波，位置不变， 探头垂直焊缝转动时，波形消失快。 夹渣 由于夹渣物内含有非金属等杂物，其声压反射率低。夹渣有一定棱 i u 8 厂 7 、- g 6 嚣n 2 | l u 1234 567891 01 11 21 31 4 时问s 夹渣波形示意图 西华大学硕士研究生学位论文 角，角条渣呈条状连续或断续分布。点渣回波有方向性。多渣常常呈锯 齿状，反射率偏低，根部较宽不清晰，好像树枝一样。随着探头的移动， 夹渣各信号闪烁不定或幅度突变。 气孔 气孔呈空心状，其介质成份为气体，反射界面规则光滑，单个气孔 1 ： i l 6 i _ 八 一一1 釜a iy八 ： ； ：。i： l23456789 时间s 气孔波形示意图a 回波幅度不变，波形为单峰较不稳定如a 图；密集气孔常出现一簇反射 1 a 一f_ _ _ ， ， 十 顿 嚣。4 一 、 卜l， u 1234567891 01 11 21 31 41 51 6 时间s 气孔波形示恚图b 西华大学硕士研究生学位论文 波。波高与气孔大小有关，从不同方位探测，幅度随探头移动面作平滑 变化，回波幅度变化不大见如b 图。 上述体会是依据实践经验和有关资料的总结。超声波检擐4 中缺陷定 位问题是一个复杂的系统工程，实际探测中波形的正确识别和缺陷的定 性依赖于高性能的检测仪器和检测人员的经验技术水平。要做到准确可 靠的判定缺陷，一是不断实践和总结；二是对波形进行综合分析和研判。 5 2 2 检测方法的选择 对于炉管内壁产生的腐蚀凹坑及裂纹，目前普遍应用3 种n d t 检 测方法。 r t 射线拍片检验：这种方法能够检出炉管内壁的凹坑和裂纹，并 可根据裂纹在底片上的影像黑度大致估计其深度。但r t 法检测工期长、 费用高、工作量大、具有一定的辐射性。 内窥镜检查法：该方法可以非常直观的发现炉管内壁凹坑和裂纹， 但对凹坑及裂纹的深度无法测定。 超声波检测：炉管裂纹一般都垂直于内壁表面开口，与母材形成良 好的直角反射。只要选择性能良好的仪器，制作专用的探头和试块，经 过试验选择合适的操作规范和最佳探伤灵敏度，就能比较准确地测出裂 纹的长度和深度。而且检测工期较短，费用较r t 检验低。这种方法可 以用于对炉管周期性检修时的监测手段，为炉管的安全评定提供可靠的 基础数据。本次研究的基本思路就是在参考超声波检测数据的同时，以 其提供的数据为基础、利用有效截面积法推算炉管寿命，作为更换炉管 西华大学硕士研究生学位论文 或继续使用的决策依据。推算的寿命至少要满足为期一年的大修周期。 川化股份有限公司长期以来使用美国c o n a m 公司的超声波无损探 伤检测仪2 3 1 2 4 1 对高温炉管进行定性检测。该仪器能对离心浇铸管进行 定性分析。主要是根据超声波传导性能把炉管内在质量分为a 、b 、c 三级。a 级表示有良好的声波传导性能，基本无裂纹；b 级属中等，有 中等的声波传导性能；c 级有严重裂纹，具有弱的声波传导性能或没有 声波传递信号。但这种仪器精度不高，系由j 1 1 化于1 9 8 2 年第一次从美 国引进的超探设备，当时为此付出了2 3 万美金的检测费。 随着妒管服役期的不断延长，c o n a m 超探仪器测量精度不高的矛盾 日益突出，已不能满足工厂对炉管寿命预测的要求。对超探设备的测量 精度和炉管寿命预测方法的改进已提上了议事日程。 5 2 3 超声波检测 超声波横波斜探头探伤法是检测炉管内壁纵向、横向、鸡爪状裂纹 的最佳方法。如图9 a 、b 所示，具体可分为纵向裂纹的探测及横向裂纹 的探测。 西华大学硕士研究生学位论文 探头 a 炉营内璧纵向裂纹探测法示意图 b 炉管内壁横向裂纹探测法示意图 第一化肥厂的炉管曲率小、厚度薄，一般斜探头不能满足探测要求， 必须采用特制的点聚焦和线聚焦斜探头。技术要求必须是灵敏度高、探 测性好、无杂波干扰、尽量采用声程较大的大折射角斜探头，以便于相 邻缺陷的区分和对裂纹深度( 自身高度) 的判别。此外，为了使探头与 炉管表面有良好的耦合，还应采用高频小品片斜探头，这种高灵敏度的 探头对第二化肥厂的厚壁管也是适用的。 西华大学硕士研究生学位论文 5 2 4 仪器、探头和试块 仪器选择 仪器主要性能指标：垂直线性误差5 水平线性误差l 工作频率范围：l 5 m h z 探头的选择 超声波探头只能从外壁对炉管内壁裂纹的进行检测，因此壁厚、管 径和裂纹情况决定了探头的选择范围。 检查横向裂纹( 环向) 选择小晶片大k 值( 焊缝的透照厚度比) 点聚焦斜探头；检查纵向裂纹，选择小晶片线聚焦斜探头，探头k 值 要根据炉管内外半径之比进行计算。k 值大会产生内表面缺陷漏检的情 况，k 值小又会影响缺陷高度( 距内表面) 的测量精度。 为了保证探头与炉管探测面的良好耦合及入射点和k 值的稳定不 变，纵、横向检测的探头与妒管的接触面均要进行仔细打磨，精度要求 达到与炉管的弧度一致。 聚焦探头的优点是声束细、能量集中、定位精度高。 试块的选择 ( 1 ) 标准试块：c s k ia 、c s k i a 。 ( 2 ) 人工模拟试块：a 型系列、b 型系列、c 型系列。 西华大学硕士研究生学位论文 5 1 2 5 横向裂纹的探测 为有效检出和测定裂纹深度，特选定中1 4 0 7 1 、中1 6 8 x 7 1 和中 1 6 x1 0 的裂纹薄壁管，用k 2 、k 2 5 的点聚焦斜探头( 晶片尺寸为1 2 8 ，频率为2 5 5 m h z ) 进行探测试验，探头沿管壁纵向移动检查， 见图9 b 。 5 2 6 纵向裂纹的探测 用线聚焦斜探头沿圆周方恂移动探测纵向裂纹。探测纵向内壁裂纹 时，声束中心必须射到内壁，最佳情况- 9 内圆相切，如图9 a 所示，在 a b c 中： s i n b = r r则p = a r c s i n ( r r ) 武中 r 炉管内半径 r 一炉管外半径 8 一斜探头折射角 对于中1 6 8 1 0 炉管： s i n l 3 = r r 2 7 4 8 4 = 1 0 b = a r c s i r t r r = 6 1 6 。 可采用6 1 6 0 的斜探头，现采用k 1 8 k 1 5 线