炼油厂制氢炉不同损伤级别炉管的微观组织评价（三）—炉管扫描微观组织评价

冯颖果　赵同同　武彬　姜丽秀　朱秉奎

摘  要：制氢转化炉运行中，处于高温火焰、烟气等环境下运行的转化炉管，受转化炉结构和运行情况的影响，不同部位的转化炉管的损伤级别存在着差异。通过3种不同损伤级别的制氢转化炉管试样的电镜扫描试验工作，研究了不同损伤级别的制氢转化炉管的扫描微观组织特点，弥补了不同损伤级别炉管的扫描微观组织研究工作，为制氢转化炉管寿命预测和转化炉完整性能评价提供微观组织数据，提高了转化炉炉管寿命预测和完整性评价的准确性。

关键词：制氢转化炉  微观组织评价  扫描

一.概况

制氢转化炉投资大、能耗高，转化炉管同时具有外取热反应器和压力管道的双重特点，其运行效率和安全性直接影响到制氢装置的运行。在转化炉内不同部位的转化炉管的损伤状况、辐射温度受制氢炉结构和转化炉运行情况的影响而有所不同[1-2]，。国内先后开展了制氢转化炉炉管长期服役后损伤评价[3]、制氢转化炉管损伤状况分析与剩余寿命预测[4]、制氢转化炉炉管服役后的安全性分析[5]等，取得了一些的试验数据，解决了炉管寿命和完整性评价中的一些问题。在这些关于转化炉管性能的研究中，只是针对某一段损伤炉管进行性能试验研究后进行炉管的寿命预测和完整性评价，未对不同损伤级别的转化炉管分别进行性能试验工作，未分析和研究不同损伤炉管性能特点，无法对不同损伤级别的炉管进行评价和整台转化炉完整性的评价工作，这些问题一直困扰着科研人员。为此，收集不同损伤级别、运行时间不同的转化炉管开展微观组织、常规性能、高温持久强度等性能试验工作，分析、归纳其性能变化特征，为转化炉炉管性能评定、寿命预测和转化炉完整性评价提供试验收据和理论依据。本文对炉管的扫描微观组织进行试验研究，为炉管寿命预测提供数据。至于炉管常规性能、高温持久强度等性能试验工作，在随后的文章中进行论述。

二.转化炉概况

2.1  某企业的制氢转化炉根据TeChnip公司工艺包进行基础设计及详细设计，于2009年9月投用。转化炉辐射段炉管共有252根，分6列垂直排列，每列42根，规格为ID110×14，材质25Cr35NiNb-MA，每根炉管中心间距为290 mm，炉管总长为12930 mm，有效加热长度为12000 mm，设计温度960 ℃。

2.2 转化炉管的损伤级别

炉管的无损检测评价方法主要是通过水浸超声透射方法检测炉管的蠕变损伤，并将超声衰减程度划分为A、B、C三个级别或类似的四至五个级别。最早的标准来自美国CONAM公司[6]，它以声耗30%、70%两个阶梯，简单地把炉管划分为A、B、C 三个级别，并且认为A级管剩余寿命在40000-50000h;B级管剩余寿命在20000h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。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。

该制氢转化炉炉管于2011年、2014年、2015年进行过检测工作[1]，依据有关炉管标准[7-10]和检测公司内部《制氢转化炉辐射段炉管检测评定准则》进行检测和结果评定，转化炉炉管的损伤级别评定為A级、B级、B严重级，未检测出损伤级别为B+、C的转化炉管，同一根炉管上存在着A级、B级、B严重级的不同损伤级别[1]。

三.试验方案

对更换下来的众多转化炉管的外径、薄厚、蠕胀、腐蚀、磁性等进行观察和检测，炉管无明显结构尺寸变化和腐蚀情况。于是随机在2015年大修更换下来的转化炉管中，选取编号为113、114、117的转化炉管上的损伤级别为A级、B级、B严重级的部位试样进行了电镜扫描检测。

四.炉管试样扫描电镜检测

4.1不同损伤级别的炉管试样扫描电镜检测

选取编号113-3（B严重级）、113-7（B级）、113-18（A级）的炉管试样进行扫描电镜观察，如图1（1-3）、2（1-7）、3所示。

分析炉管损伤部位B严重级、B级和A级的扫描电镜照片，可以观察到炉管试样的外表面存在氧化层，内表面存在贫碳化物区，基体组织为晶界粗化的共晶碳化物以及晶内大量弥散分布的二次碳化物，晶界边缘可见少量微孔洞。对于B严重级、B级损伤部位，有针状σ相存在。对比扫描电镜照片分析可以发现，随着炉管损伤级别的增加，共晶碳化物形成的骨架越趋向于球型化，大骨架断裂逐渐形成较小骨架，二次碳化物在晶粒内弥散分布量也趋于增大。

对炉管试样进行能谱分析，炉管组织中骨架上存在着两种碳化物，一种为Cr23C6型碳化物如图2（3）所示;另一种为Ni-Si-Nb型碳化物如图2（4）所示，即G相。该碳化物一般在900-1100℃时效过程中由NbC转化析出，其边界容易成为蠕变孔洞及裂纹形核位置;基体以Cr18Ni33为主如图2（5）所示;外表面的氧化层则以相似于Cr12O3成分为主如图2（6）所示;晶界处的σ相以相似于Cr31Ni6成分为主如图2（7）所示。

五.结论

5.1 分析炉管损伤部位B严重级、B级和A级的扫描电镜照片，可以观察到炉管试样的外表面存在氧化层，内表面存在贫碳化物区，基体组织为晶界粗化的共晶碳化物以及晶内大量弥散分布的二次碳化物，晶界边缘可见少量微孔洞。

5.2 对于B严重级、B级损伤部位，有针状σ相存在。对比扫描电镜照片分析可以发现，随着炉管损伤级别的增加，共晶碳化物形成的骨架越趋向于球型化，大骨架断裂逐渐形成较小骨架，二次碳化物在晶粒内弥散分布量也趋于增大。

5.3 制氢转化炉管经过长期高温运行后，其组织为过饱和的奥氏体加骨架状共晶碳化物（主要是M23C6和Ni-Si-Nb），共晶碳化物呈骨架状分布于晶界与枝晶间，奥氏体中析出二次碳化物和σ相等。

参考文献

[1]孙国豪、李振杰、张云来等.炼油厂制氢转化炉完整性评价方法研究（一）-炉管损伤部位分布特征研究[J]，石油化工设备技术，2018，第39卷（卷终）第6期 总第232期，49-53。

[2]孙国豪，张云来，李振杰等.炼油厂制氢转化炉完整性评价方法研究（二）——不同负荷运行时转化炉内部温度的有限元计算[J]，石油化工设备技术，2019，40（2），，31-41。

[3]巩建鸣，涂善东，陈嘉南等.制氢转化炉炉管长期服役后损伤评价[J].南京化工大学学报（自然科学版），1999，21（1）：49-53.

[4]李毅，何永光，刘望平等.制氢转化炉管损伤状况分析与剩余寿命预测[J].压力容器，2016，33（4）：46-51，58.

[5]段振国，吕胜国.制氢转化炉炉管服役后的安全性分析[J].石油化工设备技术，2010，31（4）：57-59.

[6]王远德，关于对美国CONAM公司一段炉炉管“C”级管习惯判废范围的修改，泸天化科技，1992年，第4期，46-48.

[7]HG/T 20545—1992 化学工业炉受压元件制造技术条件[S].北京：化工工业出版社，1993.

[8]HG/T 2601—2011 高温承压用离心铸造合金炉管技术条件[S].北京：化学工业出版社，2012.

[9]SHS 05001—2004 一段转化炉维护检修规程[S].北京：中国石化出版社，2004.

[10]DL/T 884—2004 火電厂金相检测与评定技术导则[S].北京：中国电力出版社，2009.

[11]温建萍、康志强、顾大群，HP40奥氏体耐热钢炉管长期高温时效的安全性分析[J]，南京航空航天大学学报，2005年10月，第37卷第5期，616-620.

作者简介：

冯颖果（1986年10月21日生- ），男，2008年毕业于武汉理工大学化工机械专业，本科，工程师，主要从事特种设备检测、金属材料实验和特种设备评价工作，Email：fyingguo@163.com。