高溫爐管廣泛應(yīng)用于制氫轉(zhuǎn)化爐和乙烯裂解爐，是石化裝置的核心構(gòu)件。高溫爐管在其服役過(guò)程中的環(huán)境極其惡劣，長(zhǎng)時(shí)間受到高溫和應(yīng)力的作用極易產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致高溫爐管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性急劇下降。蠕變損傷是高溫爐管主要的損傷形式之一，隨著服役時(shí)間的累積以及因操作不當(dāng)而引起局部超溫或因開停車而受到熱應(yīng)力的作用，容易產(chǎn)生蠕變開裂，當(dāng)裂紋達(dá)到一定尺寸時(shí)，爐管隨即破裂失效。單個(gè)的爐管意外破裂后，其泄漏出來(lái)的高溫高壓氣體，往往會(huì)影響附近正在服役的其他爐管，造成連鎖反應(yīng)。爐內(nèi)任何一根爐管的損壞，均將導(dǎo)致整個(gè)裝置的緊急停車。除造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失外，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸和人身傷亡等事故，安全隱患巨大。因此，開展高溫爐管開裂的定期檢測(cè)具有重要的意義。

考慮到高溫爐管材質(zhì)的特殊性以及服役工況的復(fù)雜性，高溫爐管的在役檢測(cè)多通過(guò)超聲檢測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但常規(guī)直接接觸式超聲檢測(cè)方法在檢測(cè)高溫爐管時(shí)，存在耦合效果較差，回波能量低，信噪比低等問(wèn)題，不利于判斷爐管內(nèi)裂紋特征。基于此，中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院和北方華錦化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司的檢測(cè)人員設(shè)計(jì)開發(fā)了一套水耦合超聲檢測(cè)方案，以加工有不同深度人工刻槽的HP40材質(zhì)轉(zhuǎn)化爐用高溫爐管為檢測(cè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)某乙烯裂解爐爐管檢測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證水耦合超聲檢測(cè)方案檢測(cè)高溫爐管的可行性。

1 高溫爐管損傷機(jī)理及其檢測(cè)方法

01 高溫爐管的損傷機(jī)理和過(guò)程

高溫爐管的常用材料是HK和HP系列耐熱合金，常應(yīng)用于制氫轉(zhuǎn)化爐爐管、乙烯裂解爐爐管。高溫爐管普遍服役于高溫（800～1200℃）和高壓（2.5～5MPa）的工況下，在高溫時(shí)效后耐熱合金的組織會(huì)發(fā)生變化，即使作用于材料的應(yīng)力小于該溫度下的材料的屈服極限，也會(huì)產(chǎn)生塑性變形，即產(chǎn)生蠕變，最終引起爐管性能的衰退。蠕變損傷是高溫爐管主要的損傷形式之一，爐管蠕變?nèi)Q于很多因素，主要受溫度、時(shí)間和應(yīng)力大小的影響，內(nèi)部超溫過(guò)熱、內(nèi)外壁溫度梯度引起的熱應(yīng)力及開停爐的內(nèi)應(yīng)力是引起蠕變損傷的直接原因。

根據(jù)應(yīng)變率與時(shí)間的變化關(guān)系，蠕變一般分為蠕變初級(jí)階段、蠕變穩(wěn)定階段和蠕變加速階段，在發(fā)展至蠕變穩(wěn)定階段時(shí)，爐管一般需要停止使用。金屬材料在蠕變的過(guò)程中可以發(fā)生不同的斷裂形式，按斷裂時(shí)塑性變形量的大小，可以分為沿晶蠕變斷裂、穿晶蠕變斷裂和延縮性斷裂，材料抗蠕變的能力通常以蠕變溫度和蠕變強(qiáng)度來(lái)衡量。研究表明，爐管由于蠕變損傷而斷裂的特征表現(xiàn)為在小應(yīng)力和高溫度作用下，在爐管金屬材料中晶粒之間的晶界處首先萌生空洞，隨著應(yīng)力作用空洞不斷變大、變多，通過(guò)聚集和連接在爐管內(nèi)壁產(chǎn)生大量微小的裂紋，微小裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展會(huì)形成宏觀裂紋，并沿著爐管的徑向和軸向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致爐管斷裂失效。

以某煉油廠制氫轉(zhuǎn)化爐爐管為例， 其外徑為140mm，壁厚為13.5mm，工作壓力2.05MPa，正常工作溫度為800～900℃，超溫時(shí)可達(dá)1100℃，材質(zhì)為HP型（ZG4Cr25Ni35Nb），工作介質(zhì)為天然氣和水蒸氣。該轉(zhuǎn)化爐于2009年12月投用，共有爐管176根，設(shè)計(jì)壽命為10萬(wàn)小時(shí)，累計(jì)運(yùn)行4萬(wàn)小時(shí)后，于2016年1月連續(xù)發(fā)生兩次爆管事故，兩根爐管開裂的宏觀形貌和局部放大如圖1所示，可以看到爐管的開裂均為縱向開裂，開裂部位已蠕脹鼓包，縱向主裂紋邊緣區(qū)及其前端分布有多條粗細(xì)、長(zhǎng)短不均的小裂紋。

(a) 宏觀形貌        (b) 局部放大

圖1 遼寧某煉油廠制氫轉(zhuǎn)化爐爐管開裂形貌

對(duì)宏觀裂紋前端的爐管截面進(jìn)行解剖分析，發(fā)現(xiàn)裂紋主要萌生于爐管內(nèi)表層并沿壁厚方向向外壁擴(kuò)展，部分裂紋已貫穿，如圖2所示。

圖2 遼寧某煉油廠制氫轉(zhuǎn)化爐爐管開裂解剖

02 檢測(cè)方法

考慮到材質(zhì)的特殊性以及服役工況的復(fù)雜性，高溫爐管內(nèi)壁裂紋的常規(guī)檢測(cè)方法存在以下難點(diǎn)：

1. 考慮到爐管材質(zhì)為非鐵磁性且裂紋由內(nèi)壁產(chǎn)生，因此不適合采用磁粉、滲透、渦流等表面檢測(cè)方法；

2. 考慮到爐管內(nèi)部填充了催化劑，因此不適合采用射線檢測(cè)方法；

3. 高溫爐管的在役檢測(cè)多通過(guò)超聲檢測(cè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是爐管的外表面多呈楊梅粒子狀態(tài)，且直徑較小曲率較大，耦合效果較差，回波能量低，信噪比低，因此常規(guī)直接接觸式超聲檢測(cè)方法在檢測(cè)時(shí)不利于判斷爐管內(nèi)裂紋特征。

基于上述情況，為克服常規(guī)直接接觸式超聲檢測(cè)方法聲耦合效果差等問(wèn)題，檢測(cè)人員提出了一種水耦合超聲檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)爐管蠕變裂紋的檢測(cè)。

2 水耦合超聲檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

本方案采用一對(duì)“超聲波發(fā)射/接收探頭”對(duì)高溫爐管進(jìn)行水耦合穿透法檢測(cè)，如圖3所示。將探頭用水徑向（相對(duì)于爐管軸線）耦合在爐管上，發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波波束進(jìn)入水層中并在水/鋼界面發(fā)生反射和折射，折射的聲波以一定的角度在爐管中傳播并在鋼/水界面再次發(fā)生反射和折射，折射的聲波再次通過(guò)水層最終被接收探頭接收。當(dāng)爐管內(nèi)無(wú)缺陷時(shí)，發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波經(jīng)爐管內(nèi)傳播后，直接被接收探頭接收，接收的能量如圖4a所示；當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波遇到爐管內(nèi)裂紋的阻礙時(shí)，接收探頭接收到的超聲波能量會(huì)降低甚至完全消失，如圖4b所示。因此，通過(guò)對(duì)比接收探頭接收到的能量大小，可以初步判斷爐管內(nèi)是否存在裂紋，以及裂紋在壁厚方向的高度。

圖3 水耦合超聲檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

(a) 無(wú)缺陷阻礙時(shí)的接收能量        (b) 有缺陷阻礙時(shí)的接收能量

圖4 超聲波能量圖

本設(shè)計(jì)方案中，實(shí)現(xiàn)爐管的水耦合超聲檢測(cè)需要解決聲波入射角度的計(jì)算、探頭的固定、充水耦合等問(wèn)題，超聲波信號(hào)的發(fā)射、接收、模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示、數(shù)據(jù)分析模塊可以利用現(xiàn)有的超聲檢測(cè)儀器實(shí)現(xiàn)。下面以管外徑R=109mm，管壁厚T=10mm，管內(nèi)徑r=89mm 爐管為例，給出具體實(shí)施方案。

探頭固定裝置（瓦塊）的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的探頭固定裝置為“瓦塊”，用來(lái)保證超聲波能以一定的角度和路徑在爐管中傳播。瓦塊弧面內(nèi)徑為109mm，與爐管外徑一致，瓦塊中部鉆有兩“探頭孔”，用以固定超聲探頭，孔內(nèi)徑略大于探頭外徑。“探頭孔”的加工要求對(duì)稱性良好，以免造成耦合不佳或入射角偏移。瓦塊中水層的深度需要滿足探頭聚焦的要求。瓦塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)物如圖5所示。

（a）瓦塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

（b）瓦塊實(shí)物圖

圖5 探頭固定裝置（瓦塊）

進(jìn)/出水裝置的設(shè)計(jì)

為了將聲波能量從超聲探頭傳遞至爐管內(nèi)部，實(shí)際檢測(cè)時(shí)需要在探頭和爐管之間充水作為耦合劑。由于高溫爐管一般為立式安裝，水在重力的作用下向下流失，會(huì)影響甚至完全阻礙超聲能量的傳播。

為克服上述困難，將進(jìn)水口設(shè)計(jì)在瓦塊的底部，出水口設(shè)計(jì)在瓦塊中部“探頭孔”的兩側(cè)。正常工作時(shí)，水在高處重力的作用下，自瓦塊底部流入，從瓦塊中部“探頭孔”流出，并與爐管之間形成耦合水層。當(dāng)水壓較低時(shí)，水會(huì)在瓦塊底部和側(cè)面流出，此時(shí)的耦合效果較差；當(dāng)水壓足夠時(shí)，水會(huì)在瓦塊的底部、側(cè)面和頂部同時(shí)溢出，此時(shí)的耦合效果能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求。

（a）示意圖

（b）實(shí)物圖

圖6 進(jìn)/出水裝置

聚焦深度與入射角度的計(jì)算

根據(jù)聲波振動(dòng)方向與傳播方向的關(guān)系可以把聲波分為縱波和橫波。由于橫波無(wú)法在液體介質(zhì)（水）中傳播，因此入射波選用縱波，傳播過(guò)程中的縱波，在兩種不同介質(zhì)的界面處會(huì)發(fā)生一些相關(guān)的變化，如反射、折射和透射等，并伴隨著聲波的波形轉(zhuǎn)換，如圖7所示。

圖7 聲波的入射與折射

根據(jù)斯奈爾定律可知，入射縱波與法線的夾角，與折射縱波以及折射橫波與法線的夾角滿足以下公式：

為避免第二介質(zhì)（爐管）中縱波與橫波的互相干擾，縱波入射角度應(yīng)選在第一臨界角和第二臨界角之間，使得爐管中只存在橫波傳播，不存在縱波傳播。

已知爐管外徑R=109mm，內(nèi)徑r=89mm，超聲波在水中的聲速CL1=1480m/s，超聲波在爐管中的橫波聲速CS2=3230m/s，聚焦深度（超聲波主聲束距離爐管內(nèi)壁的距離）δ=5mm，則可計(jì)算得出縱波入射角度αL為24.59°。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用雙通道數(shù)字超聲波檢測(cè)儀，檢測(cè)試件采用刻有人工刻槽的HP40材質(zhì)的轉(zhuǎn)化爐用高溫爐管，爐管規(guī)格為φ109mm×10mm，爐管內(nèi)壁刻有5個(gè)人工縱向矩形刻槽，刻槽寬度為0.2mm，長(zhǎng)度為20mm，深度分別為1.0、2.0、4.0、6.0、8.0mm，聚焦深度設(shè)計(jì)為5mm，刻槽示意圖和刻槽爐管試件水耦合超聲檢測(cè)裝置如圖8所示。

(a) 爐管刻槽示意圖      (b) 爐管試件水耦合超聲檢測(cè)裝置

圖8 刻槽爐管試件及檢測(cè)裝置

水耦合試驗(yàn)

進(jìn)水壓力的大小會(huì)影響超聲傳感器與爐管之間水耦合的效果，為驗(yàn)證進(jìn)水壓力與耦合效果之間的關(guān)系，分兩步進(jìn)行試驗(yàn)：

首先，不使用進(jìn)/出水裝置，將爐管、瓦塊和探頭完全浸沒(méi)于水槽中，對(duì)爐管無(wú)缺陷部位進(jìn)行檢測(cè)，如圖9a所示，得到的波形信號(hào)可以分為四部分，如圖9b所示。第一部分為“始波信號(hào)”，出現(xiàn)在屏幕左部，其特征是幅值極高，且由于檢測(cè)增益較大的緣故，其占寬較大。第二部分為“噪聲信號(hào)”，出現(xiàn)在屏幕中部，其特征是幅值很低且波形雜亂無(wú)規(guī)律；根據(jù)超聲波傳感器“一發(fā)一收”的設(shè)計(jì)方案，該部位對(duì)應(yīng)聲波在爐管中傳播的聲程，此處尚未接收到超聲信號(hào)，但容易受到儀器板卡、信號(hào)線等外部噪聲的干擾。第三部分為管束內(nèi)橫波以最短路徑傳播至接收探頭的“直通波”，是屏幕右部的第一個(gè)峰值信號(hào)；其特征是速度最快、能量最為集中，且峰值的大小與缺陷的關(guān)系最為密切。第四部分為管束內(nèi)反射波、折射波、變形波等“遲到信號(hào)”，出現(xiàn)在屏幕右部；其特征是波形幅值無(wú)明顯規(guī)律，但均滯后于“直通波”。由工程經(jīng)驗(yàn)可知，此種耦合狀態(tài)下的“直通波”信號(hào)最強(qiáng)，此時(shí)將其調(diào)整為80%滿屏高并保持增益等檢測(cè)參數(shù)不變。

（a）浸沒(méi)示意圖

（b）波形信號(hào)

圖9 浸沒(méi)狀態(tài)下檢測(cè)試驗(yàn)

然后，使用進(jìn)/出水裝置，將爐管立于地面，瓦塊側(cè)貼于爐管表面，同時(shí)將水箱置于瓦塊上方不同的高度，利用重力供水耦合，如圖10a所示。以水位H=6m為例，得到的“直通波”波幅高度只有40%滿屏高，如圖10b所示。此時(shí)，調(diào)節(jié)水位H并記錄“直通波”波幅高度與不同水位之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水位在0.2~2m之間時(shí)，耦合效果與完全浸沒(méi)時(shí)一致，檢測(cè)效果較好；當(dāng)水位超出或者低于這個(gè)范圍時(shí)，檢測(cè)結(jié)果均會(huì)受到影響。

（a）立式示意圖

（b）波形信號(hào)（水位6m）

圖10 立式水耦合狀態(tài)下檢測(cè)試驗(yàn)

人工缺陷檢測(cè)試驗(yàn)

連接檢測(cè)系統(tǒng)，將檢測(cè)水位固定為1m，設(shè)置無(wú)缺陷部位“直通波”為100%滿屏高并對(duì)5個(gè)人工縱向矩形刻槽進(jìn)行檢測(cè)，可以看出“始波信號(hào)”和“噪聲信號(hào)”均無(wú)明顯變化，“直通波”隨著刻槽深度的增加而降低，“遲到信號(hào)”無(wú)明顯規(guī)律。

對(duì)接收探頭“直通波”信號(hào)的波幅高度進(jìn)行均值統(tǒng)計(jì)，得到超聲波信號(hào)穿透不同深度的人工刻槽缺陷后的剩余能量和 “直通波”信號(hào)波幅高度衰減曲線，如圖11所示，可以看出“直通波”信號(hào)的剩余能量隨人工缺陷的深度的增加而遞減。根據(jù)“直通波”信號(hào)幅值的高低可推斷爐管蠕變裂紋的大致深度。

圖11 接收探頭超聲信號(hào)波幅高度衰減曲線

4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證水耦合超聲檢測(cè)方案的應(yīng)用性能，對(duì)某乙烯裂解爐爐管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爐管規(guī)格（φ114mm×14mm）和聚焦深度（7mm）加工探頭固定裝置（瓦塊）并配套電驅(qū)動(dòng)裝置后，將“直通波”設(shè)置為100%滿屏高進(jìn)行快速掃查，如圖12所示。

(a) 瓦塊及電驅(qū)動(dòng)裝置

(b) 信號(hào)采集系統(tǒng)

圖12 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)爐管的“直通波”在80%滿屏高以上波動(dòng)，但某根爐管的某處“直通波”衰減至40%滿屏高，判定為疑似缺陷。對(duì)該部位割管后進(jìn)行PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁為兩條裂紋，長(zhǎng)度分別為20mm和7mm，均平行于軸線方向，如圖13所示。

圖13 疑似缺陷的PT驗(yàn)證結(jié)果

從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，利用設(shè)計(jì)的水耦合超聲檢測(cè)方案能夠?qū)崿F(xiàn)爐管內(nèi)壁裂紋的檢測(cè)。

結(jié)論

為克服常規(guī)直接接觸式超聲檢測(cè)方法聲耦合效果差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套水耦合超聲檢測(cè)方案，采用一對(duì)“穿透法”對(duì)高溫爐管進(jìn)行水耦合超聲波透射法檢測(cè)。以加工有不同深度人工刻槽的HP40材質(zhì)轉(zhuǎn)化爐用高溫爐管為檢測(cè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)得到了檢測(cè)信號(hào)隨裂紋深度的衰減規(guī)律，根據(jù)接收探頭“直通波”信號(hào)幅值的高低可初步推斷爐管管壁內(nèi)蠕變裂紋的大致深度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)某乙烯裂解爐爐管檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了水耦合超聲檢測(cè)方案的應(yīng)用性能。