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浅谈一段转化炉炉管的超声波检测 赵传明 （云天化股份有限公司压力容器检测站，云南水富657800） 摘 要：简要分析了目前国内在役制氢转化炉管专用超声波检测装置的检测原理、评价方法、影响检测结果准确性的因素以及存在的问题。对运行于不同年限的炉管，提出了相应的检测要求。 关键词：炉管；超声波；蠕变裂纹；检测 一段转化炉是合成氨装置中最为关键的制氢设备，而普遍使用离心铸造合金的转化炉管作为一段转化炉中的重要构件，由于长期运行在高温、高压（管内压力、管内外温度随装置规模而异，一般管内压力在0.49～3.43 MPa，管外壁温度为850～920℃，管内介质温度为725～825℃）下，固溶在奥氏基体中过饱和的碳会以[Cr·Fe]23C6形式从基体中沉淀出来，随着运行时间的增长，[Cr·Fe]23C6将发生合并、长大、溶解、消失等变化，以致形成微小裂纹即高温蠕变裂纹，最终导致炉管失效而报废。特别是在转化炉运行到中晚期阶段，炉管的高温蠕变问题会变得越来越突出，从而使装置安、稳、长、满、优的运行受到威胁。因此，如何在装置大修时快速、准确地检测出炉管的蠕变裂纹发展情况、评价炉管的残余寿命并及时进行更换处理，是各厂设备管理人员十分关心的重要问题。传统的蠕胀测量、射线检测等方法均不能满足要求。从是否需要更换炉管的角度看，炉管的检测评价通常用裂纹深度来描述。目前，对炉管高温蠕变裂纹主要采用专用超声波检测装置检测炉管裂纹深度，从而评价炉管的剩余寿命。 1 检测原理及装置 炉管超声波检测技术是美国CONAM公司率先开发的，它可以在不卸催化剂的情况下逐根快速地检测炉管，根据高温蠕变裂纹的发展情况，判断出严重劣化的炉管，以便及时进行单根更换，从而保障转化炉的安全运行。检测原理是利用直探头局部水浸穿透法，发射探头发出的超声波波束经过水/钢界面折射，穿过炉管被检测断面，经过水/钢界面折射，被接收探头接收。在波束经过检测断面时，材料中的不连续（主要为使用后因蠕变产生的裂纹）将使部分声束被反射而不能到达接收探头。接收声能E与发射声能E0的比例即可用来描述裂纹的大致深度。该方法对入射角的选择尤其重要，必须保证声束的一边与炉管内壁相切，如图1所示。 入射角?可用下式进行选择： ?=arcsin(Cl/Cs+sin?) 式中：sin?=（r＋?）/ R r－炉管内半径 R－炉管外半径 Cl－水中纵波声束 Cs－钢中横波声束 ?－主声束与管内壁之间的距离 图1 炉管超声波检测原理图 图2 炉管专用检测装置示意图 检测装置如图2所示 该装置主要由超声波仪、记录仪、信号转换器、录音机、爬行器、探头等部分组成。其大致工作过程为：带压（0.65～0.75 MPa）干燥气源驱动爬行器并带动探头夹持装置（也叫瓦块）在炉管上上下自由移动；高度超过炉管顶部的水箱提供常压水作为耦合剂；超声波仪产生、接收处理并显示超声波信号，它是整套装置中的关键设备，起调试检测标准及控制检测过程的作用；记录仪把检测过程中接收的超声波信号记录在记录纸上，并作为评判炉管质量的重要依据；转换器可以控制单路或双路超声波接收信号的显示和记录，以便于观察和调整；录音机将检测过程中接收的超声波信号记录在磁带上，作为炉管信号的复制、分析及保存资料。 不同炉管外径和壁厚需要采用不同的瓦块，瓦块上的耦合剂密封膜（也叫充水膜）非常重要，检测时要求其与炉管紧密贴合，使耦合剂只向上溢出，保证探头与炉管外壁间充满耦合剂而无空气，所以它对声信号的稳定传输起着至关重要的作用，以致直接影响检测结果的准确性。 目前，由于硬件技术的飞速发展，信号的产生、接收、处理和存储已由体积小巧的数控超声波仪和笔记本计算机替代，但爬行器部分仍未改变。 2 炉管剩余寿命评判 在役炉管检测的最终目的是确定炉管的剩余寿命。最早的标准来自美国CONAM公司，它以声耗30%、70%两个阶梯，简单地把炉管划分为A、B、C三级，如图3所示，并且认为A级管剩余寿命在40000-50000小时；B级管剩余寿命在20000小时以上；而C级管剩余寿命不足一个使用周期，应予以立即更换。1989年以后，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，如图4所示，并经过了多次检验，后来一直延用这个标准。 日本久保田公司的评定标准分为A、A?、B、B?、C 5级，它把接近B级的A级信号评为A?，把接近C级的B级信号评为B?。这实际上仅是对CONAM公司三级寿命评级间断区作了形式上的补充，而没有实质上的差别。 图3 改进前的炉管级别与声耗关系图 图4 改进后的