煉油廠制氫爐不同損傷級別爐管性能試驗研究（二）—短時高溫力學性能評價

明亮 王猛飛 高騰飛 朱秉奎 馮穎鵬

摘 ?要：制氫轉化爐的運行中，受高溫火焰、煙氣的作用，輻射爐管不同部位的損傷級別存在著差異。通過3種不同狀態的制氫轉化爐管的短時高溫力學性能試驗工作，分析了制氫轉化爐管不同損傷級別狀態的力學性能特點，為制氫轉化爐管壽命預測和轉化爐完整性能評價提供數據，彌補了不同損傷級別狀態的爐管力學性能研究工作。

關鍵詞：制氫轉化爐;損傷級別;性能試驗

一、概述

在制氫轉化爐運行中，爐內不同部位的轉化爐管的損傷狀況、輻射溫度受制氫爐結構和轉化爐運行情況的影響而有所不同[1-2]。國內外眾多單位開展了制氫轉化爐管失效爐管性能測試研究工作中，只是針對某一段損傷爐管開展了制氫轉化爐爐管剩余壽命報告[3]、制氫轉化爐管損傷狀況分析與剩余壽命預測[4]、制氫轉化爐爐管服役后的安全性分析[5]、制氫轉化爐爐管狀態分析與壽命評估[6]等，取得了一些的試驗數據，解決了爐管壽命和完整性評價中的一些問題。在眾多研究中，未對不同損傷級別的轉化爐管分別進行性能試驗工作。為此，收集不同損傷級別、運行時間不同的轉化爐管和熱壁管開展微觀組織、常規性能、高溫持久強度等性能試驗工作，分析、歸納其性能變化特征，為轉化爐爐管性能評定、壽命預測和轉化爐完整性評價提供試驗收據和理論依據。

本文選取不同損傷級別的爐管進行短時高溫力學性能試驗工作，為爐管壽命預測提供數據。至于不同損傷級別爐管高溫持久強度等性能試驗工作，在隨后的文章中進行論述。

二.轉化爐概況

2.1 ?某企業的制氫轉化爐根據TeChnip公司工藝包進行基礎設計及詳細設計，于2009年9月投用。轉化爐輻射段爐管共有252根，分6列垂直排列，每列42根，規格為ID110×14，材質25Cr35NiNb-MA，每根爐管中心間距為290 mm，爐管總長為12930mm，有效加熱長度為12000 mm，設計溫度960℃。

2.2 轉化爐管的損傷級別

爐管的無損檢測評價方法主要是通過水浸超聲透射方法檢測爐管的蠕變損傷，并將超聲衰減程度劃分為A、B、C三個級別或類似的四至五個級別。最早的標準來自美國CONAM公司[7]，它以聲耗30%、70%兩個階梯，簡單地把爐管劃分為A、B、C 三個級別，并且認為A級管剩余壽命在40000-50000h;B級管剩余壽命在20000h以上;而C級管剩余壽命不足一個使用周期，應予以立即更換。國內專業檢測機構在做了大量的剖管實驗工作和計算分析之后，認為原標準評判過嚴，把C級管標準改為聲耗率在90%以上。

該制氫轉化爐爐管于2011年、2014年、2015年由南京馳新科技有限責任公司負責檢測工作[1]，依據有關爐管標準[8-11]和其公司內部《制氫轉化爐輻射段爐管檢測評定準則》進行檢測，依據檢測數據評定轉化爐輻射管的損傷級別為A級、B級、B嚴重級，未檢測出損傷級別為B+、C的轉化爐輻射管，同一根輻射爐管上存在著A級、B級、B嚴重級的不同損傷級別[1]。

三.試樣選取

對更換下來的眾多輻射段轉化爐管的外徑、薄厚、蠕脹、腐蝕、磁性等進行觀察和檢測，爐管無明顯結構尺寸變化和腐蝕情況。隨機在2015年大修更換下來的轉化爐管中，選取編號為113、114、117的輻射爐管上的損傷級別為A級、B級、B嚴重級的爐管部位進行高溫力學性能試驗工作。

四.爐管性能試驗

4.1 化學成分

選取不同級別的轉化爐管、干燒管和熱壁管試樣，依據滴定法、光度法、高頻燃燒紅外吸收法等相應化學分析方法進行轉化爐管化學成分分析。試樣編號依次為114-3（B嚴重級）、114-8（B級）、114-26（A級）分析結果如表2所示。

測試結果表明，不同損傷級別的爐管的成分均符合標準或設計文件的要求，不同損傷級別爐管的其它成分并無明顯差異;和新爐管的成分進行比較，A級爐管Nb含量略高于B級和B嚴重級爐管，C、S和P含量也略低;由于Cr含量仍滿足標準規定值，且C含量并無明顯升高，說明爐管試樣的滲碳損傷并不明顯。

4.2 ?高溫拉伸性能

4.2.1 ?依據GB/T 228.2-2015《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》的要求，對新購置的爐管、干燒管、不同損傷級別、熱壁管截取一定尺寸的管段加工成直徑為10mm的試樣，測試材料在900℃時的短時力學性能。試樣在電子萬能材料試驗機進行高溫拉伸性能測試，測試溫度為900℃，實測溫度由加熱爐熱電偶及接觸試樣熱電偶分別進行測量、校準。

4.2.2 ?隨機選取損傷級別為A級、B級、B嚴重級的爐管、干燒管及熱壁管管段進行常溫力學性能試驗工作，同一損傷級別的爐管選取4個不同部位進行試樣加工，編號用1＼2＼3＼4表示。如編號為113-18（A）-1＼2＼3＼4表示選取的爐管編號為113、取樣爐管部位為18、爐管損傷級別為A級的試樣編號為1＼2＼3＼4。

4.2.3 ?高溫拉伸試驗

不同損傷級別爐管的高溫拉伸性能測試結果如表3所示。

4.2.4 試驗數據分析

（1）不同損傷級別的轉化爐管在900℃高溫拉伸性能測試結果如表3以及圖1至圖3所示（這些結果是各級別重復試樣的平均值）。

（2）與上一篇的常溫拉伸性能相比，在A級管，B級管以及B嚴重級爐管中，A級管的高溫屈服強度最低，而B級管的斷后延伸率則最高，總的來看在高溫強度上B嚴重級管要高于B級管及A級管，斷后延伸率的規律并不明顯。從實驗結果中也可以看到，不同級別的爐管高溫強度性能及高溫斷后延伸率基本滿足HG/T 2601-2011 《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》中ZG40Ni35Cr25Nb的標準值要求。

4.2.5原因分析

（1）不同級別制氫轉化爐爐管材料微觀組織均為晶界粗化的一次碳化物以及晶內大量彌散分布的二次碳化物，內外表面形成氧化層及貧碳化物區，另外支晶界邊緣可見少量微孔洞。但隨著檢測級別提高（A級、B級、B嚴重級），晶內及沿晶界彌散分布的二次碳化物數量明顯增多，且B級管和B嚴重級管內表面出現針狀σ相。

（2）由金相微觀觀察實驗結果可以看到，不同檢測級別爐管在微孔洞的數量及大小方面并沒有明顯區別，這說明導致這些爐管超聲檢測級別差異的原因并非由于蠕變微孔洞或微裂紋等缺陷，而更可能是基體一次及二次碳化物的大小、數量及分布形式。隨著爐管高溫時效過程中碳化物的析出及長大，在支晶界的一次碳化物越粗大，晶內析出的二次碳化物數量越多，材料對超聲的阻礙作用也越明顯，也就導致超聲衰減更嚴重，因此這也很好的解釋了不同級別爐管的碳化物形貌差異。另外，B嚴重級和B級爐管在內表面均出現σ相，但σ相僅出現在近內表面100μm-200μm范圍內，這一范圍相比模擬滲碳試樣的滲碳層厚度更小，因此并非是影響超聲衰減的主要因素。

（3）爐管高溫力學性能指標隨著檢測級別提高（A級、B級、B嚴重級）反而出現提高趨勢，這一結果看似矛盾，其實是隨著材料二次碳化物在晶內數量增多，析出強化作用逐漸增強，材料強度也相應提高。需要注意，這并不意味著B嚴重級管材料劣化程度更低或壽命更長，具體損傷程度仍需要進行結合溫度應力進行計算。

五、結論

5.1 不同損傷級別爐管的短時高溫性能隨著損傷級別的變化而變化，表現為在A級管，B級管以及B嚴重級爐管中，A級管的高溫屈服強度最低，而B級管的斷后延伸率則最高，總的來看在高溫強度上B嚴重級管要高于B級管及A級管，斷后延伸率變化規律并不明顯。

5.2 從實驗結果中也可以看到，不同級別的爐管高溫強度性能及高溫斷后延伸率基本滿足HG/T 2601-2011 《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》中ZG40Ni35Cr25Nb的標準值要求。

5.3 分析不同損傷級別爐管材料劣化程度更低或壽命更長，不能只看短時高溫試驗結果，具體損傷程度仍需要進行結合溫度應力進行計算。

參考文獻

[1] 孫國豪、李振杰、張云來等.煉油廠制氫轉化爐完整性評價方法研究（一）-爐管損傷部位分布特征研究[J]，石油化工設備技術，2018，第39卷（卷終）第6期 總第232期，49-53。

[2] 孫國豪，張云來，李振杰等.煉油廠制氫轉化爐完整性評價方法研究（二）——不同負荷運行時轉化爐內部溫度的有限元計算[J]，石油化工設備技術，2019，40（2），，31-41。

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[6] 王遠德，關于對美國CONAM公司一段爐爐管“C”級管習慣判廢范圍的修改，瀘天化科技，1992年，第4期，46-48.

[7] HG/T 20545—1992 化學工業爐受壓元件制造技術條件[S]. 北京：化工工業出版社，1993.

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