新型技術在爐管氧化檢測中的應用

閆 河，李景振，邢 述

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

新型技術在爐管氧化檢測中的應用

閆 河，李景振，邢 述

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

爐管作為石油化工企業(yè)中大型管式燃料加熱爐的重要組成部件，不僅投資費用高，且是失效頻率最高的部件，因此如何采用有效的檢測技術來測試爐管的氧化程度顯得尤為重要。運用磁性檢測技術和聲發(fā)射檢測技術，針對已服役50 000 h的規(guī)格為φ114 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)的爐管，分別對其向火面、背火面及過渡面進行磁性測試和聲發(fā)射衰減測試，通過對比不同氧化程度的矯頑力大小及聲信號衰減狀況，來分析磁性檢測技術與聲發(fā)射檢測技術在爐管氧化層厚度檢測中的有效性。結果表明，磁性檢測技術與聲發(fā)射檢測技術均可應用于爐管氧化程度的檢測，矯頑力的大小取決于爐管的氧化程度及氧化層的附著程度，而聲信號衰減梯度變化對氧化層厚度較敏感，氧化層的厚度越厚其聲信號衰減梯度越大。

爐管;磁性檢測技術;聲發(fā)射檢測技術

隨著經(jīng)濟的快速增長，各行業(yè)對能源的需求不斷增加，石油化工企業(yè)作為能源的主要供應者，不斷要求設備長周期、滿負荷地運轉。爐管作為石油化工企業(yè)中大型管式燃料加熱爐的重要組成部件，不僅投資費用高，約占整個加熱爐投資50%以上，而且也是失效頻率最高的部件。由于爐管長期在受火環(huán)境下運行，極易發(fā)生氧化、蠕變等失效事故[1]，這些失效會導致裝置的非計劃停車，給生產(chǎn)造成巨大損失，嚴重影響石化企業(yè)的安全生產(chǎn)。

爐管長期在1 000～1 100℃的溫度下運行，管內有燃氣火嘴提供輻射能量，整個燃燒過程中，爐管表面會不可避免地受到氧化作用[2]。鋼的高溫氧化屬于高溫下的氣體腐蝕，是高溫設備中最常見的化學腐蝕。在300 ℃溫度下，鋼材表面出現(xiàn)可見的氧化皮，隨著溫度升高，鋼材的氧化速度大大增加；在溫度高于570 ℃時，氧化加劇，鐵與氧形成：FeO、Fe2O3、Fe3O4化合物，且所形成的化合物與溫度有關，溫度越高越易生成FeO。由于FeO是簡單的立方晶格，在這種結構中，氧原子數(shù)較FeO化學式所應有的氧原子少，導致原子空位較多，結構疏松。另外，這種結構中的氧原子容易通過氧化層空隙擴散到基體表面，使鐵繼續(xù)氧化，溫度愈高，氧化愈嚴重。隨著氧化的不斷加劇，氧化層不斷加厚直到脫落，致使爐管壁厚減薄?，F(xiàn)實中，除了少數(shù)貴金屬和合金外，幾乎沒有一種金屬或合金在高溫環(huán)境工作時是穩(wěn)定的，它們都在不同程度上與氣氛中的氧、硫、碳等元素發(fā)生電化學或化學反應，導致材料劣化或破壞[3-4]。

爐管氧化程度跟火焰朝向有一定的關系，向火面和背火面的氧化速率不同：背火面的氧化皮薄且致密；向火面的氧化皮厚且疏松，氧化層層層剝落，表層有網(wǎng)狀裂紋，如果局部結焦導致該處過熱時，很容易造成爐管燒穿。另一方面，發(fā)生滲碳的爐管，所生成的碳化物比基體更易于氧化，這種氧化會使裂紋發(fā)生擴展，迫使氧化膜破裂，促使基體進一步氧化，而使管壁減薄，這就是所謂的爐管腐蝕或沖蝕。這種現(xiàn)象在爐管使用過程中常有發(fā)生，因此選擇合適的檢測方法對爐管滲碳及氧化程度進行有效檢測，就顯得尤為重要。

目前，國內外開展針對爐管氧化程度檢測的工作還不多[5]，氧化層厚度的測量是研究工作的重要方向。常見的測厚方法有X射線法，超聲、渦流等檢測方法，但目前這些技術在工程領域推廣應用中由于爐管的空間布置而受到一定的限制。

爐管的氧化一方面會引起爐管結構疏松；另一方面，氧化過程中產(chǎn)生大量的鐵磁性氧化層及氧化過程中對Cr-Fe-Ni三相平衡狀態(tài)的破壞均會使原本弱磁的爐管磁性增加[6-7]。磁性增加改變了材料的磁滯特征參數(shù)，而磁滯特征參數(shù)對材料的微觀組織結構的變化非常敏感。即，材料的磁滯回線形狀特征參數(shù)的變化可以反映材料內部微觀組織結構特征的變化；另一方面，聲信號的衰減變化與材料磁場強度、微觀組織及所產(chǎn)生的各種附加應力有密切的關聯(lián)?；谏鲜鲈颍P者嘗試采用磁力測試和聲發(fā)射衰減測試法，針對已服役近50 000 h的規(guī)格為φ114 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)的爐管，分別對其向火面、背火面及過渡面進行檢測，對比分析不同氧化程度所對應的矯頑力大小及聲信號衰減狀況，最終確定磁力檢測技術與聲發(fā)射檢測技術在爐管氧化層厚度檢測中的有效性。

1 試驗過程

1.1 試驗對象

已服役近50 000 h的爐管，規(guī)格為φ114 mm×6.5 mm(外徑×壁厚)，爐管的主要化學成分見表1。

表1 爐管材料化學成分(質量分數(shù)) %

1.2 爐管的截面狀況

圖1 在役爐管截面圖

整個爐管的截面狀況如圖1所示。由圖1可見，背火面無明顯的氧化層；向火面氧化層厚度最大，約1.5 mm。

1.3 檢測儀器

檢測所需的儀器：聲發(fā)射檢測儀器一臺(SAEU2S-1016-4)；SR150S(直徑6 mm)小傳感器四個(頻率范圍：100 kHz～400 kHz)、40 dB前置放大器4個；數(shù)據(jù)連接線4根；20 m同軸電纜4根；白膠帶一圈；直徑0.5 mm的HB鉛芯一盒；標準斷鉛裝備一個；數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)一套；MA多參數(shù)便攜式矯頑力測試儀一臺。

1.4 試驗方法

試驗過程主要為：

(1) 試件宏觀檢查、金相分析、能譜分析。

(2) 試件不同方位的磁性測試。

(3) 試件不同方位的聲發(fā)射衰減測試。

磁性測試方法：采用烏克蘭生產(chǎn)的MA多參數(shù)便攜式矯頑力測試儀對事先確定的部位進行軸向或環(huán)向兩個方位的矯頑力測試，每個部位不少于三次測量，記錄每次所測得數(shù)據(jù)，擬合不同關聯(lián)圖。

聲衰減測試方法：系統(tǒng)校驗，對檢測系統(tǒng)進行檢測前校準；布置傳感器，在事先打磨好的部位進行傳感器布置；用連接同軸電纜和數(shù)據(jù)線將前置放大器與主機相連；檢測前進行背景噪聲測試，根據(jù)背景噪聲測試結果設置采集門檻等信號參數(shù)；根據(jù)衰減測試的規(guī)定，分別在距離傳感器位置10,100,200,300 mm等部位進行不少于三次標準斷鉛測試試驗，采集每次斷鉛的信號幅值，擬合信號幅值與距離間的曲線，即可得到相應的衰減曲線圖。

2 試驗數(shù)據(jù)處理

2.1 金相分析

金相分析是金屬材料試驗研究的重要手段，其將試樣表面拋光浸蝕后置于掃描電子顯微鏡下觀察，可定性地描述金屬材料的顯微組織特征。斷面金相分析見圖2，3，該次檢測所采用掃描電子顯微鏡型號為9XB-PC，放大倍數(shù)分別為100倍和2 500倍。附著層能譜分析見圖4。

圖2 迎火面金相圖

圖3 滲碳區(qū)金相圖

圖4 附著層能譜分析

2.2 矯頑力測試

對爐管沿六個不同方位分別進行軸向矯頑力測試，其中1號部位為圖1中1號字樣處，按逆時針旋轉，每隔60°進行一個部位的測試，測試結果如表2所示，矯頑力大小與附著層厚度之間的對應關系如圖5所示。

表2 不同方位矯頑力測試結果

圖5 軸向矯頑力與附著層厚度間的關系曲線

圖6 不同方位的聲信號衰減曲線

2.3 聲發(fā)射衰減測試

根據(jù)上述聲衰減測試方法對試件沿四個方位分別進行衰減測試，1號部位為圖1中1號字樣處，按逆時針旋轉，每隔90°進行一個部位的測試，共計四個部位。記錄四個部位中每次斷鉛的信號幅值，分別擬合相應部位的信號幅值與距離間的曲線，即形成不同部位的聲信號衰減曲線圖。圖6所示為四個方位的聲信號衰減曲線(不同方位代表不同氧化層厚度)。

3 試驗結果分析

3.1 金相組織分析

(1) 該爐管在內壁均勻地發(fā)生了滲碳現(xiàn)象，且滲碳層厚度約為500 μm。

(2) 滲碳層中有大量碳化物析出(見圖3)。

(3) 在滲碳層外有一層附著層(見圖2)，由能譜可知該附著層為氧化層(見圖4)，最大厚度約1.5 mm。

(4) 爐管在高溫環(huán)境下服役，氧化層隨著厚度增加而變得疏松，直至剝落，氧化層厚度為250 μm時已與基體發(fā)生微裂(見圖4)。

3.2 矯頑力測試

由矯頑力大小與氧化層厚度間的關系曲線(見圖5)可看出：氧化層厚度在500 μm以內時，矯頑力的大小隨著氧化層厚度增加而增加；氧化層厚度大于500 μm時，氧化層與基體發(fā)生開裂，由氧化引起的爐管磁性增加的效應隨之消失，致使矯頑力下降。

3.3 聲衰減測試

(1) 比較1～4號位的衰減結果可知，1號位的衰減梯度最小，3號位的衰減梯度最大(見圖6)。

(2) 由金相結果可知整個截面中的滲碳層厚度無明顯差異，故不同方位的聲信號衰減梯度變化并非由滲碳層厚度引起。

(3) 比較氧化層厚度與聲信號衰減梯度間的對應關系可知:聲信號衰減梯度變化對氧化層厚度較敏感，氧化層厚度越厚，聲信號衰減梯度越大;氧化層厚度越薄，聲信號衰減梯度越小。

4 結論

(1) 磁性檢測技術與聲發(fā)射檢測技術均可應用于爐管氧化層厚度檢測中。

(2) 應用磁性檢測技術對爐管氧化程度進行檢測時，爐管的氧化程度及氧化層的附著程度共同決定著矯頑力的大小。

(3) 應用聲發(fā)射檢測技術對爐管氧化程度進行檢測時，氧化層厚度直接決定著聲信號的衰減梯度：附著氧化層越厚，聲信號衰減梯度越大；附著氧化層越薄，聲信號衰減梯度越小。

[1] 林學東,孫源.乙烯裂解爐管材料高溫滲碳行為研究[J].機械工程材料,1994,18(6):28-30.

[2] 趙濤.基于風險的乙烯裂解爐裝置維修規(guī)劃研究[D].南京：南京工業(yè)大學，2005.

[3] 趙鍵. 12Cr1MoV爐管組織高溫損傷與恢復熱處理研究[D].大慶:東北石油大學,2012.

[4] 車俊鐵,李玉珠. HK40和HP40高溫爐管材料性能對比分析[J].工業(yè)爐,2004,26(4):4-6.

[5] 崇鳳嬌. TP304H服役爐管的組織變化研究及壽命預測[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[6] RANGANATH V R, TARAFDER S, BAHADUR A. Damage assessment of process heater tube by magnetic technique:a case study[C]∥Recent trends in structural integrity assessment. Jamshedpur:National Metallurgical Laboratory,2001:39-45.

[7] 吳欣強,楊院生,詹倩,等.HP 耐熱鋼裂解爐管服役弱化的組織特征及其成因[J].金屬學報，1998，34(10)：1043-1048.

Application of New Technology in the Detection of Furnace Tube Oxidation

YAN He, LI Jing-zhen, XING Shu

(China Special Equipment Inspection and Research institute, Beijing 100029, China)

Furnace tube as an important component of large tube type fuel heating furnace used in petroleum chemical industry not only is of the high cost of investment accounting, but also is of the highest frequency component failure. Therefore, the adoption of effective detection techniques to test tube oxidation degree is very important. This paper uses acoustic emission detection technology and magnetic detection technology to test magnetic signal and acoustic signal of the fire surface, back surface and transition surface about the tube ofφ114 mm×6.5 mm (outer diameter × wall thickness) and has been on active service for 50000 hours. Through comparison of different results of testing under various oxidation degrees, the detection effectiveness of magnetic detection technology and acoustic emission detection technology was investigated. Results show that, the magnetic detection technology and acoustic emission detection technology can be used in furnace tube oxidation degree detection. The coercive force depends on the size of the furnace tube degree of oxidation and the degree of adhesion of oxidation layer, and acoustic signal attenuation gradient is more sensitive to the change of the oxide layer thickness, and the thicker the thickness of the oxide layer, the greater the acoustic attenuation gradient is.

Furnace tube; Magnetic detection technology; Acoustic emission

2016-07-31

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局科技計劃資助項目(2016QK204)

閆 河(1976-),男，碩士，高級工程師，主要從事壓力容器、壓力管道、常壓容器的檢驗檢測及評價工作。

閆 河, E-mail: peteryan76@126.com。

10.11973/wsjc201702008

TG115.28

A

1000-6656(2017)02-0030-04