制氢转化炉炉管检测技术的应用研究

许华峰，许胜凯，张强，单小晶，曹勇飞

（山东天弘化学有限公司，山东 东营 257000）

在石油、化工企业中，制氢转化炉是制氢装置核心设备，炉管承受高温(850 ～1000℃)、高压(2 ～5MPa)，服役条件恶劣。一台制氢转化炉中，转化炉管数量在几根至几百根，任何一根炉管的损坏，均将迫使整个装置停车，同时造成一系列的连锁反应，除造成巨大的经济损失外，还极易引起火灾、爆炸等安全事故。因此，对高温炉管进行专业检测，综合评估检测数据和安全评价，提前做到正确的预判、预测和预防，是保证其安全运行的重要手段。

检测项目一般分为宏观检测、智能超声波检测、手动超声检测、蠕胀测量、金相检测、硬度检测、渗透检测(不需破坏炉管)等。实验室检验一般要做化学成分检测、渗透检测、硬度测量、常温拉伸、高温短时、高温持久、断裂力学、高倍金相、断口分析、扫描电镜+能谱分析、微观硬度检测、磁导率检测等(需破坏炉管)。

1 炉管制造过程中存在检验检测手段不完善

炉管制造过程中，遵循制造加工规范，即离心铸造完成转化管管段后，在检验管段时采取气密、水压、ET、荧光或PT、内窥镜等检测手段，此检验的目的是检验转化管管段是否存在针孔、裂纹、内表面裂纹等穿透性铸造缺陷。但是，对于炉管内部的隐形缺陷是无法进行检测的，如一些内部夹渣或者高温络合物存在于炉管管壁内，采用以上常规检测手段一般是检测不出来的。

2 高温炉管的失效形式

转化炉炉管壁温分布，高温段在下部，低温段在上部。一般认为温度高，炉管易损坏，而实际上，炉管损坏大多出现在中上部, 介质温度在600 ～800℃，最易损坏。这是由于炉管内外壁温度差大所致膨胀不一样，产生热应力大，易造成炉管损坏；炉管下部虽然温度高，但内外壁温差小，产生热应力小，反而损坏概率偏小，具体见炉管温度分布图。

图1 炉管温度分布示意图

因此，我们对已服役100000h 的完整转化炉炉管进行了寿命评价和损伤分布分析，通过一系列实验和有限元模拟得出结果，炉管中的最大损伤位置位于距离顶部8 ～9m 的中下部位置，相同条件下，此处剩余寿命比上部3m 位置降低20%。具体示意图见图2。

图2 服役100000h 炉管蠕变损伤分布图

a 为现场炉管示意图，炉内长度约12m；b 为温度沿炉管高度的分布；c 为有限元模拟服役100000h 后，炉管损伤分布图。造成高温炉管失效的因素大致可分为以下三大类。

（1）材质劣化或材质缺陷引起的失效：σ 相脆化、475℃脆化、材料组织劣化、材质冶金铸造缺陷等。

（2）腐蚀引起的失效：氧化、电化学腐蚀、H 腐蚀、Cl离子腐蚀、S 腐蚀、V 腐蚀及N 化等。

（3）外应力或热应力引起的失效：蠕变变形、蠕变断裂、催化剂粉化、热疲劳破坏、过热、热胀冷缩不均匀等。

3 转化管在线检测和寿命分析的技术方案

3.1 智能爬行超声检测

炉管承受高温和应力的联合作用，随着服役时间的增加，炉管会发生蠕变现象，蠕变发展到一定程度就会在组织薄弱处形成微孔洞，孔洞的逐渐长大、连接就形成了微裂纹，在一定压力的作用下，裂纹逐渐扩展到一定程度时，就会失稳扩展导致炉管破裂。

图3 检测设备工作中

3.2 蠕胀检测

炉管服役过程中，在高温高压等多耦合因素联合作用下，炉管会发生尺寸变化，蠕胀超过一定程度时，使炉管内壁首先产生空洞或裂纹，无法安全服役，因此要对炉管的蠕胀状况进行测量评估，是正确判定炉管安全服役的重要手段。蠕胀连续测量系统，在超声检测的同时就能记录炉管外径尺寸变化情况，不需要搭建脚手架，同时自动识别焊缝，精度高，无漏检。

4 结语

为了确保制氢转化炉炉管正常和安全服役，需要对炉管进行安全检测评估，以预防转化管在服役过程中突发泄漏、开裂等安全事故。