轉化爐爐管水浸超聲檢測應用研究

于 闖

(1 中國特種設備檢測研究院壓力容器部，北京 100029；2 國家市場監管技術創新中心煉油與化工裝備風險防控，北京 101300)

轉化爐是化工設備制氫的關鍵設備，轉化爐工藝通常為以天然氣、蒸汽為原料，通過轉化管反應生成合成氣。轉化管通過燃燒器進行加熱，通常有頂燒爐與側燒爐兩種形式，因此轉化爐爐管是既充當換熱器又充當反應器。轉化管材料通常為HP40或HP40Nb，在工作過程中最高溫度可達到1000 ℃左右，經過長時間的高溫蠕變會逐漸產生裂紋，國外對轉化爐爐管的高溫蠕變損傷已有較多研究[1-2]。轉化爐內任何一根爐管發生故障，都會導致轉化爐停工檢修，影響裝置安全運行。轉化爐爐管通過離心鑄造的方式進行制造，表面有楊梅粒子涂層，常規檢測方法無法對爐管母材進行檢測。

國內外相關研究機構開展了爐管超聲檢測研究[3-4]，何萌等[5]對比了多種爐管檢測方法，其中超聲衰減可對多種損傷進行測量。國外也開展了水浸超聲透射法對爐管進行檢測[6]，水浸超聲檢測方法是通過水耦合的方式，兩個探頭一發一收，當經過裂紋時，采集信號時會出現底波信號衰減的情況，從而確定可能存在缺陷的位置。胡振龍等[7]對人工刻槽的爐管進行水浸超聲檢測試驗，發現采集信號的底波衰減隨缺陷深度的增加而增大。為探究轉化爐爐管水浸超聲檢測實際應用效果，本文將對轉化爐爐管水浸超聲檢測現場應用與實驗室應用進行了相關研究。本文的研究有助于對爐管確定合理的更換周期，可為企業適時做出修復或更換的建議，對于確保裝置長周期的安全穩定運行，促進轉化爐爐管水浸超聲技術發展具有重要的科學意義和工程應用價值。

1 研究方法

本文主要通過水浸超聲的方法進行檢測，水浸超聲機器人是專門針對爐膛內爐管實施水浸超聲檢測的專用設備，水浸超聲測試方法的原理是水作為耦合劑，由曲面探頭發出超聲波波束經過爐管表面折射，穿過爐管被截面，在經過爐管表面折射，由直面探頭接收。在波束經過爐管截面時，爐管中的蠕變裂紋會使部分波束被反射而不能到達直面探頭。因此當采集信號時會出現底波信號衰減的情況，確定可能存在缺陷的位置。

制定現場水浸超聲檢測的方案：通過水浸超聲爬壁機器人對爐管進行檢測應用，首先對人工刻槽的樣管進行水浸超聲檢測，確定水浸超聲衰減程度與損傷深度的關系，進行超聲波衰減等級標定；然后對現場服役過的爐管進行檢測，利用樣管標定等級對正在服役的爐管進行評定等級，判斷爐管損傷情況；最后通過割管實驗的方法，對爐管水浸超聲檢測效果進行評估。

根據實驗室爐管管段的情況制定研究方案：調查轉化爐設計安裝資料、歷年爐管檢驗檢測資料和實際運行工況等相關情況數據，對爐管運行工況以及其可能產生的損傷進行分析；對爐管試樣進行水浸超聲測試，根據測試結果取樣進行力學性能試驗，分析試驗數據，確定爐管性能；根據試驗結果，對比分析不同水浸超聲結果的爐管性能差異。

2 爐管水浸超聲檢測

2.1 爐管水浸超聲現場檢測

現場檢測爐管型號：直徑為127 mm，壁厚為12 mm，根據爐管的規格，制作人工刻槽的樣管，分別為壁厚的三分之一缺陷、二分之一缺陷、三分之二缺陷，對樣管進行檢測，并建立爐管人工缺陷高度與超聲衰減信號的規律。對無缺陷位置和有缺陷位置分別進行檢測，超聲波高如表1所示?？梢钥吹綘t管超聲波高隨著刻槽深度的增加衰減也逐漸增大，在沒有缺陷的位置檢測時超聲波高度為55.7%，以此作為爐管狀態良好的標準高度；當缺陷達到三分之二壁厚的高度時，檢測的超聲波高度最低只有12.5%。

表1 不同缺陷高度的水浸超聲波高Table 1 Immersion ultrasonic wave height of different defect heights

根據樣管標定制定爐管水浸超聲檢測等級如下：A級管表示管段沒有高溫蠕變裂紋以及未發生材質劣化；B級管表示爐管損傷加劇，材質進一步劣化或蠕變裂紋等效損傷深度相當于三分之一壁厚；C+級管表示爐管損傷比較嚴重，材質劣化嚴重或蠕變裂紋等效損傷深度相當于二分之一壁厚；C-級管表示損傷嚴重，材質劣化非常嚴重或蠕變裂紋等效損傷深度相當于三分之二壁厚，此時爐管狀態已經非常危險，不能繼續使用了。

圖1 爐管水浸超聲檢測結果Fig.1 Ultrasonic test results of immersion of furnace tubes

圖1為某石化公司轉化爐內水浸超聲檢測現場結果，通過將水浸超聲爬壁機器人在爐管底部組裝，機器人上行預濕，下行檢測，并根據編碼器數據同步記錄整根爐管的超聲波的波動。爐管由上至下記錄的超聲波高如圖所示，01和02通道分別為記錄的爐管兩側超聲波高變化情況，空白位置為爐管焊縫，根據檢測結果可以看出爐管部分位置超聲波衰減較大，最低位置與三分之二壁厚檢測值相持平，疑似存在缺陷，最嚴重等級已到達C-級別，已不能繼續使用；爐管2 m位置焊縫兩側超聲波信號變化較大。

2.2 爐管試驗性能測試

2.2.1 爐管實驗室水浸超聲測試

對已服役過的轉化爐爐管進行割管試驗測試，爐管段未見明顯鼓脹、變形或開裂，表面楊梅粒子脫落。由于切割爐管的長度限制以及爐管直徑和壁厚不匹配的問題，為了實現更好的耦合效果以及更準確的測量出超聲信號衰減位置，定制開發設計了適配的超聲檢測瓦塊，爐管型號：直徑為152 mm，壁厚為15.5 mm。

為了與現場檢測的條件相符采用水浸超聲進行檢測，對缺陷進行標記，記錄超聲信號衰減位置。在實驗室進行水浸超聲實驗測試，并記錄超聲波高度變化如表2所示，發現部分位置存在超聲信號衰減，超聲信號衰減較大則此位置可能存在缺陷；并且水浸超聲實驗發現1-1管段比1-2管段的超聲波高度衰減較為嚴重，并且單個管段存在超聲信號衰減較大的位置，對超聲信號較大的位置進行切割并未發現裂紋。根據檢測的情況選取其中的部分位置進行進一步的力學性能試驗檢測。

表2 爐管超聲波信號高度Table 2 Ultrasonic signal height of furnace tube (%)

2.2.2 拉伸性能實驗測試

對1-1、1-2管段各截取2個試樣，根據GB/T228.1-2015《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，并使用電子萬能材料試驗機進行常溫拉伸性能測試。常溫拉伸性能測試結果如表3所示。根據拉伸實驗結果可以發現1-1-2試件抗拉強度已低于標準值，1-1-1試件抗拉強度已接近標準值，1-1管段的試件屈服強度均已接近標準值，所有試件的斷面收縮率均低于標準值；1-1管段試件的抗拉強度及屈服強度均低于1-2管段試件的抗拉強度及屈服強度，這可能是由于爐管材料已經發生劣化，導致爐管力學性能下降，并且1-1管段材質劣化較1-2管段更嚴重。

表3 常溫拉伸實驗結果Table 3 Tensile test results at room temperature

3 結 論

本文對在役爐管進行現場水浸超聲測試，且在實驗室進行了水浸超聲以及拉伸性能方面的測試，得出如下結論。

(1)結合現場以及實驗室爐管水浸超聲檢測試驗發現，水浸超聲檢測靈敏度比較高，能準確記錄整根爐管超聲波信號高度的變化；當檢測人工缺陷位置時會出現超聲波衰減，并且爐管超聲波高隨著刻槽深度的增加衰減也逐漸增大。

(2)爐管段宏觀形貌未見明顯鼓脹、變形或開裂，無明顯腐蝕痕跡，部分管段外表面楊梅粒子脫落，根據試驗結果可見，水浸超聲衰減位置的爐管材料性能已經發生退化，其抗拉強度、屈服強度和斷面收縮率等力學性能已經有所降低，部分試件學性能已低于標準規定值。

(3)爐管力學性能衰減是由于爐管微觀組織變化引起的，而微觀組織變化可能與水浸超聲信號衰減有一定的關系，在未來的工作中也可以從此方面入手，進行進一步的研究。

(4)總體而言爐管水浸超聲檢測方法對爐管安全性評價具有較好的意義，可以實現在役爐管整根的缺陷或材料性能退化位置的檢測，本文的研究有助于對長期服役的爐管確定安全狀況，制定合理的更換周期，并為企業適時做出修復或更換的建議，對爐管水浸超聲技術發展具有十分重要的科學意義和工程應用價值。

在實際檢測過程中發現超聲波衰減影響因素較多，并不是單一的由蠕變裂紋或孔洞引起，也可能爐管并未存在缺陷但爐管材料已經發生劣化，由超聲信號衰減確定損傷缺陷的檢測結果評價方法并不準確，目前也沒有一個合理的樣管標定方法，超聲波信號衰減與爐管實際損傷的確切對應關系亟待建立，另外如何結合檢測結果對爐管進行分級和壽命評估也需要進一步研究，這些問題也成為制約這項技術應用的關鍵因素?？傮w而言爐管水浸超聲檢測方法對爐管安全性評價具有較好的意義，可以檢測到爐管缺陷或材料性能退化的位置，相信隨著技術的發展，爐管水浸超聲檢測方法也會更加完善。