便携式多参数磁性分析仪在炉管检测方面的应用

1、4.3. 便携式多参数磁性分析仪在炉管检测方面的应用4.3.1 引言乙烯裂解炉通常采用HP系列的奥氏体耐热钢，炉管实际服役过程中由于操作及工艺流程等原因会在超高温下运行，在实际中可以观察到奥氏体耐热钢炉管经过长期高温运行，原本属于无磁性奥氏体耐热钢，微观组织发生变化，局部出现了较为明显的磁性现象。由金属材料学可知，合金元素在钢中有两种主要的存在形式存在于固溶体中或形成碳化物，因为形成合金固溶体要产生晶格畸变，有畸变的晶格是不稳定的，在高温下，如果合金原子有充分的活动能力，它就会从固溶体中出来逐渐转移到结构较为稳定的碳化物中。固溶体中合金元素的贫化会使固溶强化这一强化机制削弱，从而会使钢的强度、

2、蠕变极限和持久强度下降，对高温部件的安全运行是不利的。已有研究表明【】奥氏体耐热钢高温运行后从固溶体中析出碳化物及金属间化合物相，使钢材的强度、塑性等性能下降，并增加了晶间腐蚀的敏感性。相的析出还导致磁性的增加，向火面和爆口处的碳化物相析出较多，磁场强度较高；相是铁素体高铬钢、奥氏体一铁素体钢和镍铬奥氏体不锈钢在长期高温下产生的新相。相是铁和铬的金属间化合物，性质硬而脆，它通常沿铁素体或奥氏体晶界析出，可使钢的蠕变极限和持久强度降低，并使钢的塑性和冲击韧性降低。相的成分可在一定范围内变化，可简写成FeCr，相对钢的性能影响程度取决于它的数量和分布。在资料指出【】，当钢中出现5(体积)的相时，可

3、使钢的冲击值降到原来的四分之一。磁性的强弱和钢材的损伤程度之间存在一定的联系。结合金相分析结果和磁场强度测量结果进行分析，炉管在高温下长期运行后，金相组织为奥氏体+碳化物，碳化物沿晶界析出，同时在沿晶界析出相。奥氏体不锈钢的组织发生老化，抗氧化性能降低和对晶间腐蚀敏感性增加：在磁性方面也表现出明显的差异，向火面的碳化物和相析出较多，磁场强度较高，背火面的碳化物析出较少和基体无相析出，磁场强度很小。乙烯裂解炉炉管在高温、高碳氛围等恶劣环境下服役的过程中，炉管材料的机械性能必然因材料的微观组织结构特征改变而降级，同时也改变了材料的磁滞特征参数，因其非常敏感于材料的微观组织结构的变化。相反，材料的磁

4、滞回线形状特征参数的变化也反应了材料内部微观组织结构特征的变化：可以通过刻画和评估材料的磁滞行为，以一种无损的方式，来识别材料的微观结构变化和监测材料机械性能的降级。本节利用一种新型的炉管无损检测仪器便携式多参数磁性分析仪对不同状态下的炉管进行磁性参数-矫顽力、剩磁和微分磁导率等测试，由于渗碳使炉管导磁率升高，根据此原理可进行渗碳层厚度测量，分析渗碳层厚度与磁性参数如矫顽力的对应关系，研究如何用矫顽力数值来表征炉管的渗碳层厚度，最终确定该仪器在炉管检测方面的有效性。4.3.2 实验材料及方法本节中实验选用四种不同的炉管分别为第二节中的1#炉管(未服役裂解炉炉管)、2#炉管(未服役转化炉炉管)、

5、h#炉管(已服役裂解炉炉管)、c#炉管(已服役转化炉炉管)。在实际工况中，裂解炉发生损坏的概率较大，转化炉相对较小，本章分别选取未服役及服役后的裂解炉炉管和转化炉炉管进行研究，每种炉管所进行的渗碳实验具体工艺见第二节第X节，从而获得不同的渗碳层厚度。采用乌克兰SSE公司生产的便携式磁性分析仪在每种炉管的10mm、150mm、290mm处进行矫顽力测试，根据炉管管径大小，将炉管的环向均匀分为几个区域，对每个区域的环向与轴向分别进行矫顽力的测试；由于该仪器所测的渗碳层厚度是针对炉管内外壁总渗碳层厚度之和，因此将炉管外壁车削2mm，去除外壁的渗碳层，可以模拟炉管较薄渗碳层下的矫顽力，用同样方法再次进

6、行矫顽力测试后，获得炉管不同渗碳层厚度与矫顽力的对应关系，对大量实验数据整理分析，通过数据拟合，得到矫顽力值与渗碳层厚度的关系式，最终确定如何用矫顽力来表征渗碳层厚度。4.3.3 实验结果与分析4.3.3.1 1#炉管矫顽力测试实验研究未服役裂解炉常用炉管HP40Nb(25Cr35NiNb-MA)，尺寸规格70*6mm，进行不同时间低压高温渗碳实验后(具体渗碳工艺见第X章)，获得不同强渗碳层厚度，具体统计结果如表3-1所示。由于在炉管铸造过程中内外壁形成的组织不同，而且外壁有“杨梅”粒子保护，所以实验后，外壁的强渗碳层较内壁要薄，实际工况中，炉管长期在高温渗碳气氛中运行，内壁会发生一定程度的渗

7、碳。表3-1 1#炉管进行不同时间渗碳后强渗碳层厚度统计结果 强渗碳层厚度(m)渗碳时间(h)外壁内壁总渗碳层厚度5440440880846053099010h5005701070采用便携式磁性分析仪，对未服役炉管与进行不同时间渗碳实验后的炉管进行矫顽力测试，在每根炉管10mm、150mm、290mm处沿圆周方向均匀的5个区域进行矫顽力测试， 所测结果如表3-23-5所示，对每个时间段不同区域的矫顽力作图观察炉管渗碳层的均匀程度，如图3-13-3所示，可以看出，渗碳实验后由于炉管总的渗碳层厚度增加，对应矫顽力数值有明显的增大；渗碳510h，炉管总的渗碳层厚度增加较缓，对应的矫顽力数值也只是轻微

8、的变化；同时对于不同渗碳时间的炉管，中部的矫顽力数值较边缘大，轴向的矫顽力较环向大。表3-2 1#炉管未渗碳之前矫顽力测试结果未渗碳管径70×6（mm）环向190轴向250表3-3 1#炉管渗碳5小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向620620640630630630轴向720730710750750730150mm环向670670670670680670轴向730760770790760760290mm环向650640640650650650轴向730720760750760750(b)(a) 图 3-1 1#炉管渗碳5小时后不同区域矫顽

9、力大小关系图 (a)环向 (b)轴向表3-4 1#炉管渗碳8小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向680700680690670680轴向780790750780770770150mm环向720730720720710720轴向770810780790780790290mm环向690690690690680670轴向790780780790780780(b)(a)图 3-2 1#炉管渗碳8小时后不同区域矫顽力大小关系图 (a)环向 (b)轴向表3-5 1#炉管渗碳10小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向690

10、700700690700700轴向760750770750740750150mm环向720720730730730730轴向810810830760780800-290mm环向680680680680680680轴向760770750790790770(b)(a)图 3-3 1#炉管渗碳10小时后不同区域矫顽力大小关系图 (a)环向 (b)轴向将渗碳后炉管的外壁车削2mm后，炉管只剩下内壁的渗碳层，用同样的方法进行矫顽力测试，所得结果如表3-63-8所示，不同部位不同区域矫顽力对应关系如图3-43-6所示，可以看出车削后，炉管整体渗碳层减薄，对应的矫顽力较车削前有明显减小，而且车削后炉管轴向与

11、环向不同区域矫顽力无明显波动，说明内壁渗碳均匀，由此可以看出渗碳层与矫顽力大小有较好的对应关系。与车削前类似，炉管中心部位矫顽力比边缘处大，炉管轴向的矫顽力大于环向。表3-6 1#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置1234平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向470470470460470轴向580590570620590150mm环向480490490490490轴向610630630640630(b)(a)图 3-4 1#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-7 1#炉管渗碳8小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置1

12、234平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向530530530540530轴向630640640650640150mm环向560560560570560轴向670680680690680(b)(a)图 3-5 1#炉管渗碳8小时外壁车削2mm后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-8 1#炉管渗碳10小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置1234平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向520520530530530轴向610620640640630150mm环向570570570570570轴向710700710690700(b)(a)图 3-6 1#炉管渗碳10小时外

13、壁车削2mm后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向由于便携式矫顽力测试仪所测炉管的矫顽力是针对整根炉管渗碳层厚度的测试，即内外壁渗碳层厚度总和的结果。统计炉管内壁强渗碳层厚度与车削前炉管总强渗碳层厚度所对应的环向及轴向各自矫顽力的平均值结果，如表3-9所示，其对应关系如图3-7所示，可见随着炉管强渗碳层厚度增加，矫顽力数值相应增大，但曲线斜率逐渐减小，即随着渗碳的发生，渗碳速率减慢，渗碳层厚度增加减缓，矫顽力数值增幅相应减缓。对表3-9所测渗碳层厚度与矫顽力对应实验数据进行曲线拟合，拟合结果如如图3-7所示，可以看出拟合曲线与实验结果有非常好的对应关系，得到拟合方程：环向拟合方程：

14、 (式3-1)轴向拟合方程： (式3-2)式中：y表示矫顽力值，单位A/m ，x表示渗碳层厚度，单位m。由式3-1和式3-2可以看出，实验数据曲线符合一元二次方程：，且环向与轴向的方程式中系数a、b、c各自在同一数量级，考虑到实验及仪器误差，可以认为无论环向还是轴向，最终渗碳层厚度与矫顽力值服从同一个一元二次方程，最终的拟合曲线公式将在综合结果中给出。表3-9 1#炉管渗碳层厚度与矫顽力数值对应结果 强渗碳层厚度(m)矫顽力Hc(A/m)04405305708809901070环向190480540550650690700轴向250610660670750780770图3-7 1#炉管渗碳层厚

15、度与矫顽力对应关系图4.3.3.2 Z#炉管矫顽力测试实验研究已服役近三年的裂解炉炉管HP40Nb(Cr25Ni35Nb)，尺寸规格80*8.2mm，炉管在服役过程中内壁已发生较严重的结焦，且结焦层疏松发生剥落，炉管内有大量的结焦粉末。在进行低压真空实验前，将炉管内壁的结焦层清除，并将内壁车削0.5mm，去除内壁的氧化层，利于渗碳实验的进行，已有研究表明【】，内壁形成致密的氧化层会阻止碳的渗入，无法获得更深的渗碳层。该炉管的渗碳实验采用与前述实验相同的工艺，分别进行1100下5h、8h、10h的低压真空渗碳，获得不同的强渗碳层厚度，统计结果如表3-10所示。由于炉管外壁有“杨梅”粒子，同时在服

16、役过程中，外壁无渗碳环境，所以在未进行低压真空渗碳实验前，炉管外壁无渗碳层存在，内壁存在较明显的渗碳层。在低压真空渗碳实验中，内外壁都存在渗碳环境，因此，实验后炉管外壁也出现一定厚度的强渗碳层，但厚度明显小于内壁强渗碳层，同时可以看出，渗碳实验后，内壁的强渗碳层厚度只有微量增加。表3-10 Z#炉管渗碳实验前后强渗碳层厚度统计结果 强渗碳层厚度(m)渗碳时间(h)外壁内壁总渗碳层厚度00550550539061010008410690110010330640970采用便携式磁性分析仪对已服役近三年的裂解炉炉管HP40Nb (Cr25Ni35Nb)及不同时间渗碳实验后的炉管分别进行矫顽力测试：把

17、炉管圆周方向均匀的分为5个区域，对各个区域环向与轴向的矫顽力进行测试，结果如表3-113-14所示，不同区域矫顽力对应关系如图3-83-11所示，由于该炉管已服役将近三年，内壁存在一定厚度的渗碳层，所以对应的矫顽力数值与未服役炉管 (如表3-1所示) 相比较大；渗碳实验后，虽然内壁的强渗碳层厚度较渗碳之前无明显的增加，但由于外壁存在一定厚度的强渗碳层，所以矫顽力数值相应的增加，同样轴向矫顽力高于环向。表3-11 Z#炉管未渗碳实验前矫顽力测试结果 区域矫顽力Hc(A/m)12345平均环向400420450420440430轴向490510530530530520图3-8 Z#炉管未渗碳实验前

18、不同区域矫顽力大小关系图表3-12 Z#炉管渗碳5小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向650650640650640650轴向710700710720710710150mm环向670680670680680680轴向740740740760740740290mm环向630640620650630640轴向720700720720710720(b)(a)图3-9 Z#炉管渗碳5小时后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-13 Z#炉管渗碳8小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向670670640

19、640640650轴向700710700690690700150mm环向670700670680690680轴向730710700750750730290mm环向660650640650640650轴向710740720700710720(b)(a)图3-10 Z#炉管渗碳8小时后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-14 Z#炉管渗碳10小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向640610610620640620轴向710680650680690680150mm环向670670660660680670轴向6907006907107307

20、00290mm环向650630640640640640轴向700690690700720700(b)(a)图3-11 Z#炉管渗碳10小时后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向将渗碳后炉管外壁车削2mm，去除外壁的渗碳层后，用同样方法再次进行矫顽力测试，结果如表3-153-17所示，各区域矫顽力对应关系如图3-12314所示，可以看出车削后，矫顽力较车削前有明显的减小，且虽然渗碳实验后，内壁的渗碳层厚度与渗碳之前只有微量的变化，但矫顽力数值仍然有对应的变化，说明该仪器对渗碳层的变化有较好的敏感性，同时无论环向还是轴向不同区域矫顽力数值无明显波动，说明内壁渗碳均匀，且随着炉管整体渗碳

21、层减薄，矫顽力相应减小。表3-15 Z#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置1234平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向490490470500490轴向560560530580560150mm环向470510490450480轴向600620570570590(b)(a)图3-12 Z#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-16 Z#炉管渗碳8小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置1234平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向520510530520520轴向570610610610600150mm环向5505305

22、40520540轴向630660610640640(b)(a)图3-13 Z#炉管渗碳8小时外壁车削后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-17 Z#炉管渗碳10小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置1234平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向500510510520510轴向570550590560570150mm环向490490500500500轴向600600590600600(b)(a)图3-14 Z#炉管渗碳10小时外壁车削2mm后不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向由于便携式矫顽力测试仪所测炉管的矫顽力是针对炉管整个壁厚中渗碳层厚度的测试，即内

23、外壁渗碳层厚度总和的结果；该炉管已服役近三年，所以内壁存在一定的渗碳层，厚度约550m，由于结焦层较疏松，在试样切割及实验过程中会发生剥落。通过在扫描电子显微镜下观察金相组织的方法，统计该炉管内壁强渗碳层厚度与车削前炉管总强渗碳层厚度所对应的环向及轴向各自矫顽力平均值结果，如表3-18所示，其对应关系如图3-15所示，可以看出，随着炉管强渗碳层厚度增加，矫顽力数值相应增大，但曲线斜率逐渐减小，由金相实验结果来看，渗碳实验后内壁的强渗碳层厚度与渗碳之前相比有微量的增加，因此对应的矫顽力数值只有轻微的变化，但渗碳实验导致炉管外壁出现一定的渗碳层，炉管总的强渗碳层增加，因此矫顽力出现相应的增加，说明

24、矫顽力数值与渗碳层厚度有很好的对应关系。假设该服役裂解炉炉管在未服役时的矫顽力与4.3.3.1节中厚度层为0mm处的矫顽力值相同，从而对表3-18所测渗碳层厚度与矫顽力对应实验数据进行曲线拟合，拟合结果如图3-15所示，可以看出拟合曲线与实验结果有非常好的对应关系，证明假设正确，得到的拟合方程：环向拟合方程： (式3-3)轴向拟合方程： (式3-4)式中：y表示矫顽力值，单位A/m ，x表示渗碳层厚度，单位m。由式3-3和式3-4可以看出，与4.3.3.1节中结果相似，实验数据曲线同样符合一元二次方程：，且环向与轴向的方程式中系数a、b、c各自在同一数量级，考虑到实验及仪器误差，可以认为无论环

25、向还是轴向，最终渗碳层厚度与矫顽力值服从同一个一元二次方程，最终的拟合曲线公式将在综合结果中给出。表3-18 Z#炉管渗碳层厚度与矫顽力数值对应结果 强渗碳层厚度(m)矫顽力Hc(A/m)055061064069097010001100环向190430480500530640660660轴向250520570580620690720720图 3-15 Z#炉管渗碳层厚度与矫顽力对应关系图4.3.3.3 2#炉管矫顽力测试实验研究工业中常用的转化炉炉管未服役的HP40Nb(ZG25Cr35NiNb-Ti)炉管，尺寸规格126*11.8mm，进行不同时间的低压高温真空渗碳后，获得不同渗碳层厚度，对

26、强渗碳层内外壁厚度进行统计后如表3-19所示，由于外壁有“杨梅”粒子，在一定程度上上会阻止渗碳的发生，因此外壁强渗碳层较薄，且渗碳8小时和10小时后，由金相组织来看渗碳层厚度无明显变化，炉管未发生更加严重的渗碳，但与渗碳5小时相比，渗碳层厚度有一定的增加。表3-19 2#炉管进行不同时间渗碳后强渗碳层厚度统计结果 强渗碳层厚度(m)渗碳时间(h)外壁内壁总渗碳层厚度534046080085405601100104705901060与前述方法相同，采用便携式磁性分析仪对未服役管及不同渗碳时间后的炉管进行矫顽力测试：由于炉管管径较大，把炉管圆周方向均匀的分为7个区域，对各个区域环向与轴向的矫顽力进

27、行测试，结果如表3-203-23所示，不同区域矫顽力对应关系如图3-163-18所示，与未服役炉管矫顽力相比，渗碳后炉管的矫顽力增大一倍以上；渗碳5小时后强渗碳层厚度较8小时和10小时的厚度小，对应的矫顽力数值偏小；由表3-19可知，渗碳8小时和10小时后，总的渗碳层厚度无明显变化，对应的矫顽力也无变化，轴向矫顽力高于环向。表3-20 2#炉管未渗碳之前矫顽力测试结果未渗碳管径126×11.8（mm）环向340轴向380表3-21 2#炉管渗碳5小时后矫顽力测试结果 区域位置1234567平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向740740740750740750750750轴向77

28、0780750780740790780770150mm环向780780770780790780780780轴向800810810780770810830800290mm环向750750760770750750750750轴向810800820810810790830810(b)(a)图 3-16 2#炉管渗碳5小时后不同区域矫顽力大小关系图 (a)环向 (b)轴向表3-22 2#炉管渗碳8小时后矫顽力测试结果 区域位置1234567平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向770770770780780770770770轴向780790810810820810800800150mm环向79080

29、0810810810810800800轴向800810800810830830830820290mm环向770770770760780780760770轴向800780820830820820830820(b)(a)图 3-17 2#炉管渗碳8小时后不同区域矫顽力关系图 (a)环向 (b)轴向表3-23 2#炉管渗碳10小时后矫顽力测试结果 区域位置1234567平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向7.47.57.77.67.87.67.67.6轴向7.67.98.18.08.18.17.98.0150mm环向8.18.28.18.28.28.28.18.1轴向8.38.48.28.38.

30、08.58.08.2290mm环向7.77.97.67.87.87.87.77.8轴向8.07.78.17.87.78.27.77.9(b)(a)图 3-18 2#炉管渗碳10小时后不同区域矫顽力关系图 (a)环向 (b)轴向将渗碳后炉管外壁车削2mm，去除外壁的渗碳层后，用同样的方法再次进行矫顽力测试，结果如表3-243-26所示，各区域矫顽力对应关系如图3-193-21所示，可以看出车削后，矫顽力较车削前有明显的减小，同时无论环向还是轴向不同区域矫顽力数值无明显波动，说明内壁渗碳均匀，且随着炉管整体渗碳层减薄，矫顽力相应减小，同样炉管中心部位矫顽力偏大。表3-24 2#炉管渗碳5小时外壁车

31、削2mm后矫顽力测试结果 区域位置123456平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向570570570570560570570轴向620610610600620630610150mm环向590600590590590590590轴向640650650650660670650(b)(a)图 3-19 2#炉管渗碳5小时后外壁车削2mm后不同区域矫顽力关系图 (a)环向 (b)轴向表3-25 2#炉管渗碳8小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置123456平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向590590600590600590590轴向610620640620620620620150m

32、m环向620620640630640620630轴向680670680690700690690(b)(a) 图 3-20 2#炉管渗碳8小时后外壁车削后不同区域矫顽力关系图 (a)环向 (b)轴向表3-26 2#炉管渗碳10小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置123456平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向610610610610610610610轴向630630620640640640630150mm环向660660670660660660660轴向700710710700710710710(b)(a) 图3-21 2#炉管渗碳10小时外壁车削2mm后不同区域矫顽力关系图 (a)

33、环向 (b)轴向 由于便携式多参数磁性分析仪所测炉管的矫顽力是针对炉管整个壁厚渗碳层的测试，即内外壁渗碳层厚度总和的结果。统计该炉管内壁强渗碳层厚度与车削前炉管总强渗碳层厚度所对应的环向及轴向各自矫顽力平均值结果，如表3-27所示，其对应关系如图3-22所示，随着炉管强渗碳层厚度增加，矫顽力数值相应增大，与裂解炉炉管类似，曲线斜率逐渐减小，即随着渗碳的发生，渗碳速率减慢，渗碳层厚度增幅减缓，矫顽力数值增幅相对减小，说明矫顽力数值与渗碳层厚度有很好的对应关系。对表3-27所测渗碳层厚度与矫顽力对应实验数据进行曲线拟合，拟合结果如图3-22所示，可以看出拟合曲线与实验结果有非常好的对应关系，得到拟

34、合方程：环向拟合方程： (式3-5)轴向拟合方程： (式3-6)式中：y表示矫顽力值，单位A/m ，x表示渗碳层厚度，单位m。由式3-5和式3-6可以看出，实验数据曲线符合一元二次方程：，且环向与轴向的方程式中系数a、b、c各自在同一数量级，且式3-5和3-6中各系数非常接近，考虑到实验及仪器误差，可以认为该转化炉炉管与前述裂解炉炉管实验结果类似，无论环向还是轴向，最终渗碳层厚度与矫顽力值服从同一个一元二次方程，最终的拟合曲线公式将在综合结果中给出。表3-27 2#炉管渗碳层厚度与矫顽力数值对应结果 强渗碳层厚度(m)矫顽力Hc(A/m)046056059080010601100环向34058

35、0610640760780780轴向380630660670790800820图 3-22 2#炉管渗碳层厚度与矫顽力对应关系图4.3.3.4 K#炉管矫顽力测试实验研究已服役近九年的转化炉炉管HP40Nb(Cr25Ni35Nb)，尺寸规格127*12mm，该转化炉炉管在服役过程中未发生明显的变形、蠕胀等损伤，炉管内壁有很薄的渗碳层，厚度约50mm，由于转化炉内的温度较低，无大量的渗碳气氛，所以在其服役过程中没有发生明显的渗碳，同时其材质劣化也不明显。同样对该炉管进行不同时间的低压高温真空渗碳后，获得不同渗碳层厚度，对强渗碳层内外壁厚度进行统计后如表3-28所示，在实际服役过程中外壁无渗碳发生

36、，因此渗碳实验后，外壁强渗碳层较薄，渗碳8小时和10小时后，由金相组织来看渗碳层厚度变化不明显，但较渗碳前有一定程度的增加。表3-28 K#炉管强渗碳层厚度统计结果 强渗碳层厚度(m)渗碳时间(h)外壁内壁总渗碳层厚度005050535047082010290570860采用便携式矫顽力测试仪对已服役炉管及不同渗碳时间后的炉管进行矫顽力测试：把炉管圆周方向均匀的分为6个区域，对各个区域环向与轴向的矫顽力进行测试，结果如表3-293-32所示，不同区域矫顽力对应关系如图3-233-25所示，可以看出，渗碳实验之前由于炉管的渗碳层很薄，对应的矫顽力数值小；渗碳5小时和10小时，炉管总渗碳层厚度无明

37、显差别，所以矫顽力数值也相近；该炉管环向矫顽力与轴向差别较小，渗碳10小时后不同部位矫顽力有明显波动，这可能是服役过程中受火面与背火面温度不同，所受应力不同，因此所形成的渗碳层及氧化层厚度也有所差别，导致不同部位矫顽力存在一定差别。表3-29 K#炉管矫顽力测试结果 区域位置123456平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向130120160190200150160轴向130140160180160150150500mm环向180210230230230200210轴向1802001802202002002001000mm环向180170170170170170170轴向1901801601

38、801601701701900mm环向190190180180180180180轴向180160150170180190170(b)(a) 图 3-23 K#炉管不同区域矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-30 K#炉管渗碳5小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向650630650660650650轴向670670680700680680150mm环向680670690700690690轴向700690710720730710290mm环向650650650670670660轴向680660670690680680(a)(b)图 3-24 K

39、#炉管渗碳5小时后矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-31 K#炉管渗碳10小时后矫顽力测试结果 区域位置12345平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向680680690670680680轴向660690730730690700150mm环向750660700720680710轴向700660700740690700290mm环向590580590600600590轴向610580570630630600(b)(a) 图 3-25 K#炉管渗碳10小时后矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向将渗碳后炉管外壁车削2mm，去除外壁的渗碳层后，用同样方法再次进行矫顽力测试，结果如表3

40、-323-34所示，各区域矫顽力对应关系如图3-263-28所示，可以看出车削后，矫顽力较车削前有明显的减小，而且渗碳10小时后炉管内壁强渗碳层比5小时厚，对应的矫顽力数值也较大；同时无论环向还是轴向不同区域矫顽力数值无明显波动，说明内壁渗碳均匀，且随着炉管整体渗碳层减薄，矫顽力相应减小，同样中心区域矫顽力数值比边缘大。表3-32 K#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置123456平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向410410410410420420410轴向450460470470470460460150mm环向480470470480460470470轴向5405

41、30540530540540540(b)(a) 图 3-26 K#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向表3-33 K#炉管渗碳10小时外壁车削2mm后矫顽力测试结果 区域位置123456平均矫顽力数值Hc(A/m)10mm环向490500490510490490490轴向510520520530510530520150mm环向540550560560560550550轴向570570580590580580580(b)(a)图 3-27 K#炉管渗碳5小时外壁车削2mm后矫顽力对应关系图 (a)环向 (b)轴向由于便携式多参数磁性测试仪所测炉管的矫顽力是针对炉

42、管整个壁厚渗碳层的测试，即内外壁渗碳层厚度总和的结果。统计该炉管内壁强渗碳层厚度与车削前炉管总强渗碳层厚度所对应的环向及轴向各自矫顽力平均值结果，如表3-34所示，其对应关系如图3-28所示，随着炉管强渗碳层厚度增加，矫顽力数值相应增大，曲线斜率逐渐减小，即随着渗碳的发生，渗碳速率减慢，渗碳层厚度增加减缓，矫顽力数值增幅相对减小，说明矫顽力数值与渗碳层厚度有很好的对应关系，对于壁厚较厚的炉管同样可以用该仪器来进行炉管渗碳层的检测。对表3-34所测渗碳层厚度与矫顽力对应实验数据进行曲线拟合，拟合结果如图3-28所示，可以看出拟合曲线与实验结果有非常好的对应关系，得到拟合方程：环向拟合方程： (式

43、3-7)轴向拟合方程： (式3-8)式中：y表示矫顽力值，单位A/m ，x表示渗碳层厚度，单位m。由式3-7和式3-8可以看出，实验数据曲线符合一元二次方程：，且环向与轴向的方程式中系数a、b、c各自在同一数量级，考虑到实验及仪器误差，可以认为该已服役转化炉炉管与前述转化炉与裂解炉炉管实验结果类似，无论环向还是轴向，最终渗碳层厚度与矫顽力值服从同一个一元二次方程，最终的拟合曲线公式将在综合结果中给出。表3.34 K#炉管渗碳层厚度与矫顽力数值对应结果 强渗碳层厚度(m)矫顽力Hc(A/m)50470570820860环向180440520670660轴向170500550690670图 3.28 K#炉管渗碳层厚度与矫顽力对应关系图4.3.4 综合结果分析综合以上不同类型不同条件下的炉管实验结果，结合各自拟合曲线得到的拟合方程，可以认为矫顽力值最终只取决于炉管中总的渗碳层厚度，与炉管管径，壁厚、轴向与环向以及服役条件无关。基于以上分析，统计所有渗碳层厚度与对应的矫顽力值，如表3-35所示。对表3-35中实验数据进行拟合，如图3-29所示，可以看出拟合曲线与实