（机械工程专业论文）论制氢转化炉炉管使用维护与延寿措施.pdf

摘要针对制氢装置转化炉管频繁失效这一制约装置安全长周期运行的瓶颈问题，从理论e 分析炉管失效的原因从装置系统外的影响因素、转化炉管本身结构及生产操作因素分析炉管失效的原因。本文介绍了超声波检测技术的基本原理，分析各种影响因素，诸如宏观组织、炉管外表面粗糙度、裂纹、铸造组织及铸造质量、微观组织对超声波衰减的影响，在检测中，力争做到使上述影响因素减少到最小，提高检测结果的准确性和可靠性。应用大连理工大学材料系h k 4 0 炉管超声检测技术，对转化炉管进行无损检测，报据检测结果决定炉管的更换情况，真正傲到了科学检修，为装置的安全长周期运行奠定了良好的设备基础。本文对转化炉管的维护与延寿问题提出了几项措施，为解决制氢转化炉管频繁开裂失效这一难题提供了科学的依据和有效的途径。通过本课题研究，得出以下结论：对于大晶粒奥氏体离心铸造h k 4 0 炉管运用透射法，采用自动记录，是目前对转化炉管检测最有效的方法；超声检测的影响因素主要有炉管表面粗糙度、宏观组织类型和分布状态、裂纹长度、铸造缺陷等，其中内壁裂纹和宏观组织是最主要的，相比之下裂纹的影响又更严重；造成转化炉管频繁开裂失效的根本原因在于炉管的超温使用：通过采取提高燃料品质、加强火嘴维护、取消栅板以及改进工艺操作水平等多种手段并举，必将有效降低炉管的故障次数，延长其使用寿命。关键词：炉管超声波裣测影确措施a b s t r a c ta i m i n ga tt h ep r o b l e mo fh y d r o g e nt r a n s f o r i l lb o i l e rt u b el o s i n ge f f i c i e n c yf r e q u e n t l yw h i c hr e s t r i c t ss a f ea n dl o n gp e r i o dr u n n i n g ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h er e a s o n sc a u s i n gi n v a l i d a t i o nf r o mt h ee x t e r n a ia n di n t e m a ! f a c t o r so ft h et r a n s f o r mb o i l e ra n df r o mt h eo p e r a t i o no ft h ep r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo ft h eu l t r a s o n i cd e t e c t i n gt e c h n o l o g y , a n a l y s e sa l lk i n d so fi n f e c t i o nf a c t o r ss u c ha sm a c r o s c o p i c a ls t r u c t u r e t h ec o a r s e n e s sg r a d eo ft h es u r f a c eo ft h et r a n s f o r r nb o i l e rt u b e ，t h ec r a c k ，t h ef o u n d r ys t r u c t u r ea n dq u a i l t ya n dm i c r o c o s m i cs t r u c t u r ea n dt r yt om i n i m i z et h ej n f e c t i o nd e g r e eo ft h ea b o v ef a c t o r s ，a n di m p r o v et h ev e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed e t e c t i n gr e s u l t s a d o p t i n gt h eu l t r a s o n i cd e t e c t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nh k 4 0b o i l e rt u b ew h i c hi fm a d eb yt h ed e p a r t m e n to fm a t e r i a lo fd l u tt op r o c e s sl o s s l e s sd e t e c t i n gt ot h et r a n s f c f i nb o i l e rt u b ea n dd e c i d ew h e t h e rt or e p l a c et h eb o i l e rt u b eo rn o ta c c o r d i n gt h ed e t e c t i n gr e s u l t sw h i c hi i v e su pt os c i e n t i f i ce x a m i n ea n dr e p a i ri nd e e d e s t a b l i s h sf a v o r a b l ei n s t r u m e n te l e m e n t sf o rs a f ea n d1 0 n gp e r i o dr u n n i n g 1 1 1 i sa r t i c l eb r i n g so u ts e v e r a lm e a s u r ef o rt h ep r o b l e m so ft h em a i n t e n a n c ea n dl o n g e v i t y - p r o l o n ga n dp r o v i d e ss c i e n t i f i cg i s ta n de f f e c t i v ea p p r o a c hf o rt h ed i 蚯c u l tp r o b l e mo f t h ef r e q u e n tc r a z i n ga n di n v a l i d a t i o no f t h et r a n s f o r mb o i l e rt u b e f r o mt h es t u d yo ft h i sa r t i c l e ，w ec a ne d u c et h ef o l l o w j n gc o n c l u s i o n s ：f o rb i gc r y s t a lp a r t i c l ea u s t e n i t i ca c e n t r i cf o u n d r yh k 4 0b o i l e rt u b e e x e r t i n gt r a n s m i s s i o na n da u t o m a t i cn o t i n g ，i st h em o s te f f e c t i v em e t h o df o rt r a n s f o r mb o i l e rt u b ed e t e c t i n g a l t r a s o n i cd e t e c t i n gi sm a i n l ya f f e c t e db yt h ec o a r s e n e s sg r a d eo f t h es u r f a c eo f t h et r a n s f o n nb o i l e rt u b e ，m a c r o s c o p i c a ls t r u c t u r et y p e sa n dd i s t r i b u t e ds t a t e ，c r a c kl e n g t ha n df o u n d r yo b j e c t i o n o f t h ea b o v ef a c t o r s t h ew a l ic r a c ka n dt h em a c r o s c o p i c a is t r u c t u r ea r et h em o s tp r i m a r y , a n dc o m p a r e l yt h ec r a c ki n f e c t i o ni sm o r es e r i o u s t h ee s s e n t i a lr e a s o nc a u s e st h et r a n s f o i t nb o i l e rt u b et oc r a z ef r e q u e n t l yi st h eu s a g eu n d e rt e m p e r a t u r ea b o v e 也el i m i t ，t h o u g ha d o p t i n gm e a n ss u c ha si m p r o v i n gt h ef e u l sq u a l i t y , e n h a n c i n gb u r n i n ga p p a r a t u sm a i n t e n a n c e c a n c e l i n gb a r r i e r sa n da m e l i o r a t i n gt e c h n i e a lo p e r a t i o nl e v e la n ds oo n ，w i l ln e c e s s a r i l ye f f e c t i v e l yd e p r e s st h ec o n i co u td e g r e ea n dp r o l o n gi t sl o n g e v i t y k e y w o r d ：b o i l e rt u b eu l t r a s o n i cw a v em e a s u r i n gi n f l u e n c em e a s u r e一一堡型璺茎些堑翌笪竺塑：丝丝! 垄童堂些一一刖吾h k 4 0 离心铸造炉管是目前石化给业制氢装置转化炉应_ 封最j “泛的一种高温炉管，在炉管服役期间，由于高温和气体腐蚀，操作不当引起的炉管局部过热，都会导致炉管蠕变和缺陷( 如空洞、裂纹等) 的产生及发展。这些缺陷对于承受高温、高压、临氢状态下使用的炉管来说是相当危险的隐患。一根炉管破裂将导致加热炉停炉，甚至造成整个装置停车将给企业带来上百万元的经济损失。超声波检测是五大常规无损检测手段( 射线、超声波、磁粉、涡流和渗透) 之一。超声波是超声振动在介质中的传播，是在弹性介质中传播的机械波。与声波和次声波在弹性介质中的传播类同，区别在于超声波的频率高于2 0 k h z 。工业超声检测常用的工作频率为0 5 - 1 0m h z 。较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，而较低的频率则常用于衰减较大和粗晶材料的检测。超声波检测是利用材料( 或工件) 内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏地探测内部和表面缺陷的大小、形状和分布状况及测定材料性质。由于超声波具有方向性好、穿透能力强、能量高、遇有声阻抗相差较大的界面时，超声波将产生反射折射和波型的转换、对人体无害等优点，因而被广泛应用于机械制造、冶金、电力、交通、石油化工和国防等各部门。超声波在传播过程中，不同的组织和缺陷对超声波的衰减程度各异。就超声波的衰减而言，其原因在于材质内部对超声波的吸收和散射。引起超声波衰减的因素很多，例如材料的表面粗糙度、宏观组织、裂纹、巯松、夹渣、空漏等。本文介绍了我公司h k 4 0 炉管的使用情况，对炉管的损坏问题进行了详细分析。根据锦西石化分公司炼油三厂制氢装置提供的几段h k 4 0 炉管，与大连理工大学材料系进行了研究，系统地论述了各因素的影响程度，在进行比较之后作出相关的结论，提出了转化炉管延寿的措施。1h k 4 0 炉管在我公司制氢装置转化炉上的应用1 1 制氢装置转化炉简介倒氢转化炉是实现烃类蒸汽制氢的关键设备，而这一过程就是在转亿炉辐射管一转化管内实现的。正常生产过程中，转化管要承受9 8 0 的炉膛温度及2 0 m p a 的介质堡型墨竺! 兰竺塑篁堡塑：生堡兰型壹堡塑压力，管内催化剂床层温度也高达7 6 0 。c 左右- ，操作条件比较恶劣，这对炉管材质提出了较高的要求。制氧转化炉炉管使用的是h k 一4 0 离心铸造管。制氖转化炉为侧烧炉，由两台1 万标米3 时的炉子组成，它有两个平行排列的辐劓室和两个垂直排列的对流室。辐射室内长1 0 4 5 0 m ，宽2 0 5 0 m ，高1 0 9 0 0 m 。每个辐射室的两侧分别有6 排和7 排火嘴，每排6 个，加上顶烧3 个，每台炉子共有8 1 个火嘴。每个辐射室有三组六十根垂直安装的转化管，每组二十根管双列错排，管心距为2 5 0 m m 。转化管上端悬挂在炉项钢梁上，下端有近2 0 0 m m 的膨胀量，管内装有催化剂托盘，气体出口设有栅板。转化管的材质为h k - 4 0 ( 即z g 4 c r 2 5 n i 2 0 ) ，规格为m1 2 7 1 2 1 2 7 0 0 ，- k - 4 0 炉管的化学成分和力学性能见表1 、表2 。表lh k - 4 0 炉管的化学成分cc rn im ns im ops0 3 5 - - 0 4 52 3 也71 9 ，2 21 5 01 7 5o 5 00 0 4 00 0 4 0表2h k - 4 0 炉管的力学性能常温9 0 0 短时拉伸9 0 0 ( 2 高温持久抗拉强度屈服强度断面收缩抗拉强度断面收缩应力时间6b m p a6s ，m p a率65 ，6 b , m p a率6s ，i v i p ah4 4 02 3 581 4 22 l4 61 0 01 2 炉管损坏情况1 2 1 炉管使用情况制氢装置从9 4 年8 月开车投产到现在已经运行了8 年多，其间装置经历了七次检修，对部分转化炉管进行了更换，共更换转化炉管8 4 根，详见表3 。东炉从开车到现在，6 0 根转化管只有8 根一次未换过，它们是：2 、3 # 、5 、7 # 、1 0 # 、1 6 # 、4 9 # 、5 8 # 。同一位号更换3 次的有4 根，更换2 次的有1 2 根，更换1 次的有3 6 根，总体更换率高达1 2 0 。因此从某种意义上讲，实际上还没有一根转化管达到设计寿命，使用时间最长的那8 根炉管也还不到7 万小时。一根炉管包括配套的上下尾管，平均价格在5 万元，因此仅转化管材料费就给企业造成了4 1 0 万元的经济损失。论制氢转化炉妒管使用、维护与延寿措施表3 制氢转化炉管历年检修更换一览表装置检曩炉更换修时间管尾管炉管炉管编号备注数数量材质量1 9 9 50h k 一4 0禾史挟炉0管，未检测1 9 9 6上4 -h k 一4 0乐炉：1 9 ，2 2 ，2 7 ，4 01 9 ，2 2 韬44管未检测1 9 9 7i 0上1 0h k 一4 0东炉：2 0 ，2 1 ，2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 8 ，3 9 ，4 0 ，4 1 ，4 2下1 91 9 9 8上6j -h k 一4 0不炉：1 5 ，1 7 ，3 2 ，3 8 ，4 3 ，5 561 01 9 9 9上1 1乐炉：1 2 ，2 2 ，3 0 ，3 1 ，3 6 ，3 7 4 2 ，4 4 。4 6 ，5 6 ，j 71 1h k - 4 0下1 72 0 0 02 8上防下3 0h k - 4 02 0 0 2 82 0上四妒：t o , 1 6 ，2 6 ，不炉：2 8 ，4 7 ，5 0 ，1 8 。1 9 ，2 0下2 。h k 一4 0检修前两炉共掐管9 根上5 下荐翱谬2 0 0 2 1 255 i i ( 一4 0西炉：2 、8 、1 2 、1 4 、2 2未检测注：西炉于2 0 0 0 年6 月开始投用。1 2 2 炉管失效情况制氢转化管损坏位置很具有规律性，都是在距下法兰口1 4 1 8 米区间开裂损坏，其中又以1 6 米处损坏的最多。失效形式都是开口裂纹伴随管径急剧膨胀，见图1 、图2 。即使目前还没有产生破坏性裂纹的炉管，其下部也都不同程度的发生鼓胀变形。图1 失效炉管外貌( 一)图2 失效炉管外貌( 二)1 3 炉管失效原因分析论制氧转化炉炉管使用、维护与延寿措施根据2 0 0 2 年7 月我们与合作单位对制氢两炉红外线热像测试结果表明，两妒炉管表而温度般在8 4 0 9 7 0 。c 之问，最高温度可达9 7 5 。c 。炉管温度自上而下分布很不均匀，f 部温度高，而上部温度低，单管温差接近1 0 0 。c ，这是炉管使用巾所不允许的，根据材质使用要求，炉管表面温度应低于9 0 0 ，而单根炉管温差不得超过5 0 。可见，转化管温度已大大超出其正常使用范围。从光学显微金相分析结果看，随着炉管在垂直方向上温度的变化，其金相组织也发生了显著的变化。图3 为炉管上部内外表面金相照片。( a ) 外表面，4 0 0 ( b ) 内表面，4 0 0 x图3 上部金相照片从图中可以看出，在晶界处已经有孔洞产生，因为材料在高温环境下发生蠕变，且蠕变裂纹已连接长大，形成了明显的裂纹扩展期的特征，同时观察到了碳化物的析出与球化。图4 为炉管中部内外表面金相照片。( a ) 外表面，2 0 0 图4 中部金相照片4( b ) 内表面，4 0 0 论制氯转化炉炉管使_ l j 、维护与延寿措施从图中可以看出，炉管的晶界已开裂，并随着情况的进一步恶化，在晶粒内部也有碳化物析出，这是洲为炉管在高温下工作时，处于利料的敏化温度范围，且材糊“含量较高，易引起贫铬效应而诱发晶问开裂。随着炉管服役时间的延长和开裂的发展，c r以及其它物质的碳化物来不及扩散到晶界而在品粒内部开始析出。图5 为炉管下部内表面金相照片。a ) 内外表面整体形貌，i 0 0 ( b ) 内表面裂纹，5 0 0 图5 下部金相照片从图中可以看出，材料已经产生大量的微裂纹，并有裂缝的产生。再通过对已进行金相观察的试样进行扫描电镜分析及利用e s d 分析其成分可知，在炉管内部品界处元素成分主要为c r ，比晶粒内部高出3 7 8 ，并且炉管温度处于热敏温度范围，由此可知，中上部炉管的晶间开裂是由贫铬引起的。同样，晶内析出物与晶界一样也主要是由c r 元索组成的化合物。可以证实：材料的开裂是由于贫铬效应引起的晶间开裂，从而进一步引发了晶内的贫铬效应，加之材料在高温下长时间工作，机械性能显著下降，脆性增加，因而便很容易产生裂纹，直至材料发生断裂。由图6 可知，断裂主要是由蠕变引起的。由于在应力小、温度高的环境中，首先会在晶界上形成孔洞，然后在应力作用下继续增多、长大、聚合、联结成微裂纹，微裂纹连通形成宏观裂纹，最后发生断裂。扫描电镜图片表明，该断口完全为脆性断口，伴随着微裂纹的产生，逐渐导致了材料的断裂。堕型壑壁些竺丝笪些堕：丝塑皇笙查撞堕( a ) 整体形貌( b ) 孔洞图6 裂纹尖端e s d 照片通过上述分析可知，转化炉管失效根本原因就是炉管超温所致，而非材质本身原因，因此必须从操作和使用方面寻找原因并加以解决。1 4 转化炉管超温原因分析由上述分析知道，造成制氢转化管失效的主要原因是转化管长期超温使用以及温度分布极不均匀，发生高温氧化、蠕变、脱碳及热疲劳破坏。为此，在转化炉日常操作中必须控制好炉膛及床层温度。而影响炉温控制的因素主要有：1 4 1 燃料组分及压力波动开车初期，制氢一直使用催化二套低压瓦斯，由于产量不稳定加之使用单位多，经常出现争抢瓦斯现象，而瓦斯组分及瓦斯压力很难得到保证，瓦斯组份及压力的波动经常引起转化炉温度更加难以控制( 当时瓦斯压力经常维持在0 1 0 3 m p a 之间，远达不到工艺要求的 0 4 5 船a ) ，从而造成炉管温度经常大幅波动，炉管承受的热疲劳加剧，炉管寿命大大缩短。后期很多炉管的失效都与前期燃料系统的不稳定有很大关系，炉管材质前期就已经发生组织变化和损坏，到后期逐步显露出来。2 0 0 0 年6 月，制氢车间提出并增设了一条从重油催化车间引来的专用高压瓦斯线，瓦斯压力可达0 7 0 8 船a ，这以后转化炉燃料供给才有了根本的保障。1 4 2 燃烧器喷嘴堵塞制氢转化炉使用附墙式瓦斯燃烧器，每炉8 l 套，两炉共1 6 2 套。由于介质经常带水及含有较多硫化物等杂质，使得火嘴喷嘴经常发生堵塞现象( 燃烧器喷嘴直径仅4 m m ) ，6论制氢转化炉炉管使埘、维护与延寿措施以后车间对喷嘴进行了扩孔改造，扩径后的喷嘴直径达5 i i i i n ，堵塞现象有了一定的改观，但并没有从根本上解决火嘴堵塞问题。1 4 3 栅板孔眼结垢按北京设计院设计，每根转化炉下部接管内都装有栅板，见图7 ，以防止催化剂粉末进入并堵塞出口支管。但经过八年多的使用，效果不好。主要是因为栅板孔径过小，极易堵塞，从而造成炉管内介质偏流及转化管超温。历年装置检修，车间都要图7 转化炉出口栅板结构图安排人员专门清除栅板孔眼内堵塞物，而每次堵塞情况都很严重。2 0 0 2 年装置又一次性更换了二十根转化管，从拆卸下来的炉管栅板看，堵塞超过半数，部分堵塞情况还很严重，见图8 。多年的实践经验表明，栅板的设置并无多太实际意义，反而会对转化炉操作产生较大的负面影响。因为从历年来转化炉的检修来看，带入后部系统的催化剂粉末并不多，而设置栅板后，反而会将这部分数量不多的催化剂粉尘阻塞在栅板前，由于栅板处温度较高，这些聚集在栅板处的粉尘就会逐渐焦化，堵塞栅板孔，这样一来，一是炉管内热量带不走，造成炉管超温：二是介质流动通道变小，产生偏流现象，从而使炉论制氢转化炉炉管使用、维护与延寿措施管“干烧”，进一步恶化炉管工作环境，加速了材质的失效。栅板堵塞情形( 一)栅板堵塞情形( 二)图8 转化炉管栅板堵塞情况1 4 4 支撑杆的影响炉管之所以都在距下法兰口1 4 1 8 m 处开裂失效与气路堵塞有直接关系。因为在转化管下部装有催化剂支撑杆，见图9 ，用以支撑催化剂，其长度为1 1 8 3 m ，当整根炉管气路发生堵塞耐，大量的热量无法顺利被转移走，长时间积聚在炉管下部。由于催化剂托盘承受着每根炉管全部9 0 k g 的催化剂的重量，因此这里的催化剂装填密度最大，最容易受压挤损坏，且系统前部催化剂粉尘及颗粒在到达栅板之前首先要在这里停留，因此这里也是产生明显阻力降的区域，热量长期滞留在支撑秆长度这样一个空间内，势必对这部分材质造成破坏，从而使其在此位置附近失效。橱板处虽然也形成气阻，但由于其位置非常靠近炉管下法兰口，而下法兰是直接裸露在空气中的，热量散失要比支撑杆上方迅速得多，因此栅板处炉管是不会超温失效的。图9 转化管支撑杆结构及安装示意图堡型塾堑些竺竺笪竺里：丝! ：兰些量堂堕1 4 5 操作因素根据两炉红外线热像测试结果可以看出，炉管在垂直方向上的温度分布十分不均匀，且上低下高，温差最高可达1 0 0 。c ，可见转化管下部受热情况是非常恶劣的，这也加速了炉管下部损害程度。2h k 4 0 炉管的超声波检测近几年，我们与大连理工大学材料系就h k 4 0 炉管超声波检测技术作了一些研究，并用此项技术在制氢转化炉检修期间，对h k 4 0 转化炉管进行了超声波检测，检测出存在问题的炉管并对其进行了及时的更换，保证了制氢装置的安全生产。下面就h k 4 0 炉管超声波检测技术作介绍。2 1 超声波脉冲反射法和脉冲透射法2 1 - 1 脉冲反射法脉冲反射法是指通过超声波脉冲反射，根据获得回波的时间及形状，来判断工件内部缺陷及材料性质的检测方法。其原理如图1 0 所示。图1 0 脉冲反射法原理示意图脉冲发生器发出的超声波脉冲形成声束，在传播过程中产生反射波，反射波高由缺陷的大小决定，而且也受缺陷的位置和装置的特性的影响。利用反射法探伤灵敏度较高，不仅可以判断缺陷的大小和位置，而且对小的缺陷也比较敏感。但对于h k 4 0 这种大晶粒钢，由于晶界的散射，可能产生林状反射波，不能迅速作出判断，甚至造成误判。堡型塑茎些篓塑笪堡旦：竺芏兰笙壹堂塑2 1 2 脉冲透射法脉冲透射法原理如图l l 所示。( a ) - ( c )垂直法( d )斜角法图1 1 穿透原理示意图将两个探头分别置于被测区域的两端，一个探头发出超声波脉冲经被检查物体内部传到接收探头，在此过程中，被检查物体中存在缺陷而引起超声波的散射或反射等现象，致使超声波的强度减弱。对于放大线性良好的超声波探伤仪，示波屏上波高与声压成正比，即任意两波高之比等于相应的声压之比寻 2 1 ，二者的分贝差为：_ 2 0 l gp 去- = 2 0 1 9 熹( d b )( 1 )根据声波穿透工件后的能量变化即波高变化情况来判断工件内部质量。这种方法的特点在于被检查物的厚度不受限制，容易检查衰减小的材料，适用于连续自动检查，不需要探伤图形解释等特殊技术，检查速度快，但灵敏度较低。实践证明，这种方法对于高合金离心铸造钢是适用的，能够检查出在使用中产生的内部裂纹。1 ，因而常作h k 4 0 炉管的主要检测方法。2 2 宏观组织对超声波衰减的影响2 2 1 基本原理2 2 1 1 超声波在固体介质中的衰减h k 4 0 炉管由于浇注条件有差异，铸态h k 4 0 炉管的宏观组织呈现出不同的形态和分论制氢转化炉妒管使用、维护与延寿措施布。概括起来有三种：柱状晶、等轴晶和细晶，除此之外，还会在约1 m m 厚的内表层横截面l 二看到疏松等缺陷“，实际的品层分布呈多种形态，如照片1 所示，其巾等轴晶和粗柱状晶的晶粒平均截距k 度都较大，则超声波的衰减与晶粒大小存在一定联系。超声波的衰减，主要包括介质的吸收衰减和散射衰减。尤其是在介质中的散射是超声检测中遇到的重要问题之一。文献 5 认为，对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减几乎可以略去不计。对于大晶粒钢检测时，散射的作用异常明显，所以研究结晶组织对超声波衰减的影响，无论是在理论上还是在实践上尤为重要。照片1h k 4 0 炉管宏观组织根据文献 6 、 7 可知，超声波在晶界处的散射取决于晶粒的平均直径与波长之比。如果以x 表示波长，西表示晶粒平均直径，f 表示超声波频率，as 为散射系数，则存在以下关系：】l论制氧转化炉炉管使用、维护与延寿措施当九 d 时，亦即在瑞利散射范围内，散射衰减与万三次方，f 的四次方成正比，即：c is d3 f 1( 2 )当 是五时，亦即在任意相位( 随机的) 范围内，散射衰减与西、f 的二次方成正比，即：aso cd f( 3 )当九 n n 目 o * 日，这和记录曲线存在较好的吻合。所测炉管晶粒平均截距长度以等轴晶为最大，粗柱状晶次之，细晶最小，这与它论制氢转化炉炉管使用、维护- j 延寿措施们衰减系数规律相同，证实了当 d 时，n 与d 存在的正比关系。所用材料的超声波声速比。1 般绌晶粒钢低，超声波在柱状晶、等轴晶、和细晶中的声速大约分别为：4 9 4 7 r r d s 、4 8 3 3 m s 和4 5 8 6 2 m s 。2 3 炉管外表面粗糙度的影晌t t k 4 0 炉管长期处于高温和腐蚀介质中，常常有氧化皮生成，有些地方氧化皮还处于剥离状态，因而光洁度较低，给炉管超声检测造成很大影响。图2 0 是对各种接触介质在5 m h z 下的实验结果6 1 ，表示出表面光洁度和斜角探伤时反射脉冲高度的降低值( 平均值) 的关系。轰面先j 言受r z ( l72 5 冲m )血- o蜓樱贽基甚谜d 8图2 0表面光洁度对超声波的影响从图中可知，在粗糙度3 5 p m 以上，随粗糙度的增加，衰减量急剧增大，在3 5 1 t m以下影响相对较小。所以粗糙度是炉管超声检测所必须考虑的影响因素之一。2 4 裂纹的影响h k 4 0 炉管的失效常常是由于蠕变产生裂纹，导致最终破坏。文献【9 】表明，炉管当运行4 万小时左右，就开始形成裂纹，这些裂纹是高温蠕变造成的，产生于炉管内侧或l 4 1 3 壁厚处，实践证明，裂纹( 除大的铸造缺陷) 对超声波传播的影响最大。为了沦制氯转化炉炉管使用、维护与延寿措施明确裂纹长度对透射波的影响程度，建立它们之间的定量关系，可采用刻人工伤的办法进行研究。用人 ：伤模拟裂纹扩展，选用试样如图2 l 。图2 1 人工伤试样用钼丝切割方法，在试样中部刻以人工伤并逐次加深，每刻一次，均用测量系统进行一次测量，得到人工伤深度同衰减系数的对应关系，结果见表9 和图2 2 。人工伤深度i d i t io4681 01 2衰减值d b c m7 3 69 0 79 6 91 0 - 3 71 3 6 31 4 7 9an ，a011 2 31 3 21 4 11 8 52 o l表9 人工伤同声衰减的对应关系图2 2人工伤深度同声衰减的对应关系论删氧转化炉炉管使用、维护与延寿措施从图2 2 中可以看出，衰减值随人工伤深度增加。2 5 铸造组织及铸造质量的影响h k 4 0 炉管的正常铸态组织是由外层细晶层、中f 司柱状晶和内层等轴晶组成的。但是，在铸造过程中，不同炉管在浇注温度、速度及冷却状态不同造成铸态组织有很大差异。如照片1 所示，这四种炉管在晶粒形态、大小及晶层的分布情况方面是截然不同的。众所周知，材料对声波的散射同晶粒尺寸有直接关系，对细晶粒、柱状晶、等轴晶三种不同晶粒尺寸的试块进行声衰减测定，可以看出：不同晶粒尺寸和形态的管材试样，其声衰减系数有很大差别。晶粒尺寸越大，其衰减亦越大。铸件的铸造质量总是有差别的，对于严重的铸造缺陷，如严重的夹杂及疏松，在铸件质量检查时，作为废品淘汰。对一般铸件中的轻微缺陷，也会造成声衰减值的增大。2 6 微观组织的影响h k 4 0 炉管的原始铸态组织为奥氏体加骨架状共晶碳化物( m r c 3 ) ，经高温长期时效，金属的显微组织发生变化。晶界的共晶碳化物发生熔解、转变，在奥氏体晶内大量析出二次碳化物。此外，晶界上不同程度地析出。相。实践证明，这些碳化物或。相不是造成超声波衰减的主要因素。蠕变空洞几乎都在碳化物与基体的交界上形成，并沿碳化物连接起来形成微裂纹。采用水浸式超声探伤，对于空洞已发展成大裂纹的情况是一种有效的检测方法。但还没有见到超声检测对初期蠕变空洞也有效的报道。2 7 对h k 4 0 炉管伤情定级的理论和方法研究表明”1 ，通常高温下炉管的蠕变断裂是通过晶界上的空洞形成、长大，然后变成蠕变裂纹，再进一步扩展造成破裂。因此，裂纹长度表征了炉管的寿命。超声检测的目的在于对所检测的炉管作出判断，确定出炉管的损伤程度，及时更换损伤严重的炉管，并对保留炉管作出寿命预测“。所以，为了提高检测的可靠性，应根据记录曲线，采用伤情定级的方法。实践证明，这是一种行之有效的方法。2 7 1 伤情级别评定原理运行数万小时之后的炉管的剩余寿命推算方法很多，例如l a r s o n m i t l e r 曲线外推法“3 ，组织因素的多元回归法3 ，裂纹扩展速度的研究“”等已是有损预测炉管寿命的行之论制氢转化炉炉管使用、维护与延寿措施有效的方法。这些也给炉管超声检测判断伤情提供了部分依据。超声检测信号是炉管内壁的宏观组织，裂纹深度、密度的综合反应。最大裂纹的扩展速度及裂纹前端组织劣化程度表征着炉管的剩余寿命。因此，需要建立起炉管超声检测信号一裂纹状态一剩余寿命之间的基本关系。2 7 2 炉管伤情级别评定及含义炉管伤情级别评定是在一定的参量下，以超声检测的伤波形态及幅值高低为依据的，并排除因外界条件而造成的伪信号( 如因水中有气泡、氧化皮、油污等) ，采用探伤仪及转换器的参量是以人工伤标准试块与实际炉管伤情级别的对应关系来确定。美国将伤情级别共分为a 、1 3 、c 三级，但根据c o r m 公司判伤情况发现，b 级范围太宽，情况差异太大“”。我们在超声检测k i x 4 0 炉管时，判伤级别共分五级“，按伤情轻重程度可分为a 、b 下、b 、b 。、c 级，其中c 级最为严重，为确保安全运行应立即更换，a级基本完好，b 级说明了已出现明显裂纹及微裂纹，bt 级炉管损伤比较严重。c 级裂纹一般为管壁的1 2 3 4 以上，b 级管裂纹深度为壁厚的1 2 以下，b 。级介于c 和b 级之间。2 8 讨论1 h k 4 0 炉管的超声检测可靠性影响因素很多，炉管表面粗糙度、金相组织类型及其分布状态，裂纹形式，铸造缺陷等。实际的检测环境较为复杂，如水耦合不良、温度、管面污物油渍、仪器或探头架出现故障等，检测结果受到外界因素的影响，而造成一些伪信号是不足为奇的。但实践证明，该技术的实际应用上已基本能够消除炉内隐患，及时地将已严重损伤的或具有严重铸造缺陷的炉管显示出来或消除掉，所以探伤的精度还取决于工作人员的检测经验和对伪信号识别的能力。2 鉴于h k 4 0 炉管的组织特点，用常规超声探伤方法( 反射法) 无法进行，利用透射法是行之有效的，选择合理的工艺参数和装置，如正确选取超声波频率( 低频) 和t 值，采用一发一收的形式，可以提高探伤的灵敏度。3 宏观组织因素是超声波衰减的主要原因之一，晶界散射使较大部分能量耗散在晶界面上，根据本文的研究，等轴晶的超声波衰减最大，细晶的衰减最小，在实际的检测中可以用改变信噪比的办法来克服。所谓信噪比，是指材料中缺陷所引起的超声回波1 论制氢转化炉炉管使用、维护与延寿措施的振幅与平均的噪声信号( 杂波) 的振幅之比，刚开始使用的炉管缺陷较小，噪声波高hm 甚至会淹没有用信号，所以应提高信噪比h * h 。，超声波的衰减明显增高，这主要是由于缺陷引起的，因而可以降低信噪比。3 制氢转化炉管维护与延寿措施3 1 利用超声波检测技术对炉管进行检测用超声检测的方法检测炉管的蠕变裂纹是目前对运行中炉管检测的最有效的方法。从1 9 9 7 年2 0 0 2 年，我们每年都利用装置检修的机会对转化炉管进行超声检测，检测结果见表1 0 。根据检测结果对部分转化炉管进行了更换，保证了转化炉的安全长周期运行。表l o 制氢转化炉管历年超声检测结果一览表年度abtbb tc1 9 9 7 东炉8 # 、1 9 # 、2 2 # 、7 # 、2 7 # 、4 5 # 、l # 、2 # 、3 # 、2 5 # 、2 8 #2 0 # 、2 1 # 、5 1 # 、5 3 # 、4 # 、5 # 、6 # 、2 4 # 、2 6 # 、5 7 # 、5 9 #9 # 、1 0 # 、1 l # 、3 9 并、4 0 # 、1 2 # 、1 3 # 、4 l # 、4 2 #1 4 # 、1 5 # 、1 6 # 、1 7 # 、1 8 # 、2 3 # 、2 9 # 、3 0 # 、3 l # 、3 2 # 、3 3 # 、3 4 # 、3 5 # 、3 6 # 、3 7 # 、3 8 # 、4 3 # 、4 4 # 、4 6 # 、4 7 # 、4 8 # 、4 9 # 、5 0 # 、5 2 # 、5 4 # 、5 5 # 、5 6 # 、5 8 # 、6 0 #1 9 9 8 东炉2 0 # 、2 l # 、7 # 、8 # 、2 7 # 、l # 、2 # 、3 柑、1 5 # 、5 5 #论制氢转化炉炉管使用、维护与延寿措施2 2 # 、2 4 # 、5 1 # 、5 3 # 、4 # 、5 # 、6 # 、2 5 # 、2 6 # 、5 7 并、5 9 卦9 符、l o 抖、l l # 、2 8 # 、3 9 并、1 2 # 、1 3 # 、4 0 # 、4 1 # 、4 2 #1 4 # 、1 6 # 、1 7 # 、1 8 # 、1 9 抖、2 3 # 、2 9 # 、3 0 # 、3 l # 、3 2 # 、3 3 苒、3 4 抖、3 5 # 、3 6 # 、3 7 # 、3 8 # 、4 3 # 、4 4 # 、4 5 # 、4 6 # 、4 7 # 、4 8 # 、4 9 # 、5 0 # 、5 2 # 、5 4 # 、5 6 # 、5 8 # 、6 0 #1 9 9 9 东炉2 0 # 、3 2 # 、8 # 、1 0 # 、1 6 # 、1 # 、2 # 、3 # 、1 2 # 、3 0 # 、1 5 # 、2 7 #2 4 5 * 、2 6 # 、4 # 、5 # 、6 # 、3 6 # 、4 6 # 、2 8 # 、2 1 # 、3 9 #7 # 、9 # 、1 1 # 、5 6 # 、3 l # 、1 3 # 、1 4 # 、3 7 # 、5 7 #l 了# 、1 8 # 、1 9 # 、2 3 抖、2 5 # 、2 9 # 、3 3 # 、3 4 # 、3 5 # 、3 8 # 、4 0 # 、4 1 # 、4 2 # 、4 3 # 、4 5 # 、4 7 # 、4 8 # 、4 9 # 、5 0 # 、5 l # 、论制氢转化炉炉管使 j 、维护与延寿措旌5 2 t t 、5 3 # 、5 4 # 、5 5 # 、5 8 # 、5 9 # 、6 0 #2 0 0 0 东炉2 # 、3 # 、5 # 、1 # 、4 # 、6 # 、1 3 # 、4 8 # 、7 i t 、9 # 、1 0 # 、8 # 、1 4 i t 、5 9 #5 3 # 、5 l # 、1 2 # 、1 5 # 、2 4 t t 、4 9 # 、1 6 # 、1 7 # 、2 5 # 、3 9 # 、4 5 #2 2 # 、2 6 # 、2 8 # 、3 0 # 、3 l # 、3 2 # 、3 6 # 、3 7 # 、3 8 # 、4 2 # 、4 4 # 、4 6 # 、4 7 # 、5 0 # 、5 2 # 、5 4 # 、5 5 # 、5 6 # 、5 7 # 、5 8 # 、6 0 #2 0 0 2 东炉1 2 # 、1 4 # 、l # 、2 i t 、3 # 、9 # 、5 4 # 、6 0 #2 2 # 、3 2 # 、2 4 # 、4 5 # 、4 i t 、5 # 、6 # 、3 8 t t 、4 3 # 、5 2 #4 6 # 、4 8 #7 # 、8 # 、l l # 、1 3 # 、1 5 # 、1 7 # 、1 8 # 、1 9 # 、2 0 # 、2 1 # 、2 3 # 、2 5 # 、2 7 # 、2 9 # 、3 0 # 、3 1 # 、3 3 # 、3 4 # 、3 5 # 、3 6 # 、3 7 # 、3 9 i t 、4 0 # 、4 l # 、4 2 # 、3 5论制氢转化炉炉管使用、维护与延寿措施4 4 # 、4 9 # 、5 t # 、5 3 # 、5 5 # 、5 6 # 、5 7 # 、5 8 # 、5 9 #2 0 0 2 西炉2 9 # 、5 3 #3 # 、7 # 、8 # 、l 样、2 # 、4 # 、1 7 # 、6 0 #2 l # 、9 # 、1 3 #2 3 # 、2 6 # 、5 # 、6 # 、1 0 # 、2 8 # 、3 0 # 、l l # 、1 2 # 、3 2 # 、3 5 # 、1 4 # 、1 5 # 、3 6 # 、3 7 # 、1 6 # 、2 2 # 、4 3 # 、4 8 # 、5 5 #2 4 # 、2 5 # 、2 7 # 、3 l # 、3 3 # 、3 4 # 、3 8 # 、3 9 # 、4 0 # 、4 l # 、4 2 # 、4 4 # 、4 5 # 、4 6 # 、4 7 # 、4 9 # 、5 0 # 、5 1 # 、5 2 # 、5 4 # 、5 6 # 、5 7 # 、5 8 # 、5 9 #注：1 1 9 9 7 年，2 0 # 、2 1 # 、4 0 # 在开工时已掐管，其余为根据检测结果决定更换的2 1 9 9 8 年，3 2 # 在b 级中偏重，1 7 # 、3 8 # 、4 3 # 弯曲严重，1 5 # 、5 5 # 为根据检测结果决定更换的3 1 9 9 9 年。2 2 # 、4 4 # 在开工时已掐管，4 2 # 弯曲严重，其余为根据检测结果决定更换的4 2 0 0 0 年，除在开工时已掐管1 4 根更换外，其余为根据检测结果决定更换的5 2 0 0 2 年，东炉9 # 、5 4 # 、6 0 # 、2 2 # 、3 2 # 、3 8 # 、4 3 # 、5 2 # 经检测后决定更换西妒2 1 # 、9 # 、1 3 # 经检测后决定更换3 2 确保燃料( 瓦斯) 供给得到保障由于目前制氢拥有了一条专用高压瓦斯线，燃料方面问题己得到很好的解决。车间3 6论制氢转化炉炉管使j j 、维护与延寿措旋应加强脱水，如有必要，可以考虑对现有的瓦斯脱液罐进行适当改造，如增设过滤网，增大液体沉降空间采i 时间，充分脱出瓦斯中的固体杂质和水，避免瓦斯燃烧不好。3 3 加强火嘴的e t 常维护车间应设专人对火嘴进行不问断维护确保其使用率达到1 0 0 ，避免炉膛温度分布不均匀以及炉管温差较大，甚至超出工艺指标要求3 4 改进工艺操作水平按照目前操作方法，一般炉管下部温度控制较高，贴近上限，而中上部温度控制较低，这对炉管是不利的。当然，这在装置开工末期是必