浅谈一段转化炉炉管的超声波检测.doc

云南云天化股份有限公司2001年技术论文 6浅谈一段转化炉炉管的超声波检测赵传明（云天化股份有限公司压力容器检测站，云南水富657800）摘 要：简要分析了目前国内在役制氢转化炉管专用超声波检测装置的检测原理、评价方法、影响检测结果准确性的因素以及存在的问题。对运行于不同年限的炉管，提出了相应的检测要求。关键词：炉管；超声波；蠕变裂纹；检测6一段转化炉是合成氨装置中最为关键的制氢设备，而普遍使用离心铸造合金的转化炉管作为一段转化炉中的重要构件，由于长期运行在高温、高压（管内压力、管内外温度随装置规模而异，一般管内压力在0.493.43 MPa，管外壁温度为850920，管内介质温度为725825）下，固溶在奥氏基体中过饱和的碳会以CrFe23C6形式从基体中沉淀出来，随着运行时间的增长，CrFe23C6将发生合并、长大、溶解、消失等变化，以致形成微小裂纹即高温蠕变裂纹，最终导致炉管失效而报废。特别是在转化炉运行到中晚期阶段，炉管的高温蠕变问题会变得越来越突出，从而使装置安、稳、长、满、优的运行受到威胁。因此，如何在装置大修时快速、准确地检测出炉管的蠕变裂纹发展情况、评价炉管的残余寿命并及时进行更换处理，是各厂设备管理人员十分关心的重要问题。传统的蠕胀测量、射线检测等方法均不能满足要求。从是否需要更换炉管的角度看，炉管的检测评价通常用裂纹深度来描述。目前，对炉管高温蠕变裂纹主要采用专用超声波检测装置检测炉管裂纹深度，从而评价炉管的剩余寿命。1 检测原理及装置炉管超声波检测技术是美国CONAM公司率先开发的，它可以在不卸催化剂的情况下逐根快速地检测炉管，根据高温蠕变裂纹的发展情况，判断出严重劣化的炉管，以便及时进行单根更换，从而保障转化炉的安全运行。检测原理是利用直探头局部水浸穿透法，发射探头发出的超声波波束经过水/钢界面折射，穿过炉管被检测断面，经过水/钢界面折射，被接收探头接收。在波束经过检测断面时，材料中的不连续（主要为使用后因蠕变产生的裂纹）将使部分声束被反射而不能到达接收探头。接收声能E与发射声能E0的比例即可用来描述裂纹的大致深度。该方法对入射角的选择尤其重要，必须保证声束的一边与炉管内壁相切，如图1所示。入射角q可用下式进行选择：q=arcsin(Cl/Cs+sinb)式中：sinb=（r）/ R r炉管内半径 R炉管外半径 Cl水中纵波声束 Cs钢中横波声束 主声束与管内壁之间的距离 图1 炉管超声波检测原理图图2 炉管专用检测装置示意图检测装置如图2所示该装置主要由超声波仪、记录仪、信号转换器、录音机、爬行器、探头等部分组成。其大致工作过程为：带压（0.650.75 MPa）干燥气源驱动爬行器并带动探头夹持装置（也叫瓦块）在炉管上上下自由移动；高度超过炉管顶部的水箱提供常压水作为耦合剂；超声波仪产生、接收处理并显示超声波信号，它是整套装置中的关键设备，起调试检测标准及控制检测过程的作用；记录仪把检测过程中接收的超声波信号记录在记录纸上，并作为评判炉管质量的重要依据；转换器可以控制单路或双路超声波接收信号的显示和记录，以便于观察和调整；录音机将检测过程中接收的超声波信号记录在磁带上，作为炉管信号的复制、分析及保存资料。不同炉管外径和壁厚需要采用不同的瓦块，瓦块上的耦合剂密封膜（也叫充水膜）非常重要，检测时要求其与炉管紧密贴合，使耦合剂只向上溢出，保证探头与炉管外壁间充满耦合剂而无空气，所以它对声信号的稳定传输起着至关重要的作用，以致直接影响检测结果的准确性。目前，由于硬件技术的飞速发展，信号的产生、接收、处理和存储已由体积小巧的数控超声波仪和笔记本计算机替代，但爬行器部分仍未改变。2 炉管剩余寿命评判在役炉管检测的最终目的是确定炉管的剩余寿命。最早的标准来自美国CONAM公司，它以声耗30%、70%两个阶梯，简单地把炉管划分为A、B、C三级，如图3所示，并且认为A级管剩余寿命在40000-50000小时；B级管剩余寿命在20000小时以上；而C级管剩余寿命不足一个使用周期，应予以立即更换。1989年以后，国内专业检测机构在做了大量的剖管工作和计算分析之后，认为原标准评判过严，把C级管标准改为声耗率在90%以上，如图4所示，并经过了多次检验，后来一直延用这个标准。日本久保田公司的评定标准分为A、A-、B、B-、C 5级，它把接近B级的A级信号评为A-，把接近C级的B级信号评为B-。这实际上仅是对CONAM公司三级寿命评级间断区作了形式上的补充，而没有实质上的差别。图3 改进前的炉管级别与声耗关系图 图4 改进后的炉管级别与声生耗关系图3 影响检测结果准确性的因素1）仪器本身性能影响裂纹深度基本上是按照声能损失以正比例关系确定的，所以仪器最大的影响因素是垂直线性，它的好坏将直接影响到检测结果的准确性。2）炉管材质的影响主要有材料中原始铸造时的夹杂、疏松缺陷和铸造组织的差异（不同的晶层及其组合、偏析等）。3）超声波耦合因素的影响 瓦块：一般要求瓦块弧面内径与炉管外径一致，以满足最佳入射角检测的需要，尽可能保证声能损失比K与裂纹深度一致。瓦块的加工要求对称性良好，以免造成耦合不佳或入射角偏移。 充水膜：要求柔软、耐磨、粘接性能好，以保证作为耦合剂的水只向上溢出，从而耦合良好。并要求更换迅速，以缩短检测时间。 炉管外壁状况：在役炉管表面均存在程度不同的氧化皮，检测前都应做刷管处理，氧化皮的存在将直接影响超声波的传播。 耦合剂：一般以水（最好是脱盐水）做耦合剂，但不允许有气泡，否则也将影响超声波的传播。4）驱动气压的稳定性 气压的大小直接影响到爬行器的快慢，在计算机或纸卷上是按线性方式确定位置的，因此，气压的稳定与否将影响到信号对应于炉管位置的确定。5）检测人员在炉管检测时，遇到出现“C”级信号的情况很多，是否为伪信号引起，应该加多少dB 进行补偿，如何准确判定，要根据探头所在位置、炉管使用时间及运行环境、工艺控制状况、上次检测记录等许多因素综合考虑，信号的最后记录将作为级别评定的依据。炉管检测后的评定也是很复杂的，即强调检测人员的经验积累，又不可忽视炉管纵向（同一炉检测历史资料）、横向（同一炉型或不同炉型多太炉）之间的相互对照、参考。所以检测人员的经验和水平非常重要。4 目前在役炉管检测存在的问题1）在90年代前后，采用全套进口专用设备检测HK40材料的厚壁炉管，效果非常好。但随着国产炉管的普及，不同管径、不同壁厚炉管种类的增多，考虑到成本问题，在国内加工瓦块和购买充水膜，费用到是减少了，但使用效果较差。特别是充水膜，进口的是软而薄的耐磨不干胶膜重复快速粘贴，现在采用的是较厚而耐磨的橡胶膜，使用魔胶重复粘贴，固化后非常硬，换一次相当麻烦，并且需要较长的固化时间；与炉管表面贴合也不佳，导致耦合水保持不好，在新充水膜使用的初期尤为明显，即使开很大的水，信号也不稳定（进口材料只需要很小一点水就够了），同时，大量的水流入炉子底部，一来缩短了炉子的使用寿命，二来开车时需要较长的烘炉时间。2）仪器调整不规范，没有采用标样炉管进行标定，而是在某一根炉管（通常是第1根）上选择一个声能损失最小的位置，作为标准样进行调校（此时将接收声能调整为100%）。这样就造成了接收的最大信号有时远远大于100%，但记录仪作限位记录（信号虽然远大于100%，但记录曲线却在100%的线上），而最后级别评判时又按照图4评判曲线进行，检测结果的可信度太差。3）瓦块代用现象很普遍。瓦块弧度直径与炉管外径不一致(一般大于炉管外径)，导致入射角减小，误差较大，检测范围变笮。4）很多厂新建或整炉炉管更换后一般都采用壁厚较薄的HP材料合金炉管。但还是使用检测HK-40炉管的2通道方式和标准来检测及评判HP材料的炉管。5）没有使用定位装置，评判的A、B、C级管位置与实际情况误差较大。6）检测人员责任心不强，导致炉管上部和下部检测距离不到位。7）检测区域较小。主要是检测炉管的向火面，背火面及焊缝均不能检测，检测面积要受到炉管外径和壁厚的影响，按照目前的检测方式，外径越大或壁厚越薄时，检测区域越小。8）只能检测炉管的高温蠕变裂纹，即径向裂纹，对环向裂纹和炉管对接焊缝缺陷无法检测（由于耦合不好而不能检测焊缝）。9） 目前检测炉管的目的仅仅是找出“C”级管而已，其A、B级管的评定根本不准确，无可比性。5 薄壁炉管的检测与评判 由于HP材料的诸多优越性能，已经得到广泛应用，而这种材料的管子多数为薄壁管。要检测这种规格的炉管，为了满足入射角要求，只有调整发射和接收探头之间的距离来达到目的，那么两个探头之间的距离势必会调整到很近。以管径108，壁厚为10mm的薄壁管为例，两个探头之间的距离就要调整到30 mm左右，这样检测到炉管截面的有效部分还不到炉管面积的20%，因此便失去了检测的意义。为了增加检测面积，可以采用4通道或更多通道检测薄壁炉管，目前计算机硬件技术的发展已能满足这方面的检测要求。 同时，由于HP材料的炉管应用的时间还不是很长，不管是在应用还是检测方面，经验都不多，究竟需不需要检测、检测和评价的标准又是什么，都是还在探讨的问题。本人曾经对四川化工总厂一化一段转化炉薄壁炉管（1088.9）连续检测3年，有2次是爆管紧急停车检修，但爆管位置均是焊缝位置（从上往下第一个焊缝）。我们使用的检测方式和评价标准也都是对HK材料的方式和标准。后经剖管证实，两次爆管都是炉管对接焊缝缺陷引起，解剖的“B”级管段无任何缺陷。6 经验与体会对新炉管而言，一般设计寿命是10万小时。但在具体运行中，寿命差异却非常大，这决定于炉管的精心维护和工艺控制水平。泸天化公司炉管的平均使用寿命在16万小时，远远超出设计寿命；而山西某化肥厂新换炉管不到一年就成为了“C”级管，全炉120根管子超过50%是弯曲的，该厂曾经常出现炉管爆管而停车处理，损失十分巨大。在役炉管缓慢出现高温蠕变裂纹是正常的。加速裂纹扩展的原因除炉管本身质量外，主要是工艺控制不好导致超温、超压，开、停车次数以及触媒粉末进入裂纹所致。所以，定期更换触媒是很重要的。在正常工况下，新换炉管（HK材料）5年之内可以不用超声波检测，58年内进行适当抽查检测。在炉管运行到晚期阶段，每次大修进行炉管超声波检测是必须的。对于目前普遍使用的HP材料的薄壁炉管，根据我们这几年的解剖情况，检测结果虽然为“B”级管，但解剖发现无裂纹。国外也没有发现薄壁炉管存在裂纹的报道。就是在川化一化由于2次超温引起薄壁炉管第一焊缝处爆裂，经解剖其它部位也无裂纹。根据本人的经验，新薄壁炉管投用58年之内无检测必要（特殊情况除外），8年后可适当进行检测，对认为寿命最短的炉管进行解剖试验，以进行这方面的探索和研究。在役炉管蠕变损伤的实质是组织的变化，直至目前，各国都尚未建立起完整的检测和评定标准。虽然目前国内对在役炉