作(zuo)者：張仕奇(qi)。

作者簡介：張仕奇，男，1990年2月出生，本科學歷，工程師，2013年畢業于遼寧石油化工大學化學工程與工藝專業，現在阿克蘇華錦化肥有限責任公司合成車間從事設備管理工作。

摘要：介紹合成氨裝置一段轉化爐爐管的改造更新情況，從爐管金屬組織在不同服役時間的狀態、爐管材質、使用過程中可能對爐管壽命產生影響的主要事件、不同有害因素對爐管使用壽命的影響等方面進行了分析探討，提出了爐管運行調整中應注意的事項。

關鍵詞：一段轉化爐 爐管材質 金屬組織 過熱損傷 使用壽命

1 概述

     阿克蘇(su)華錦化(hua)肥有限責(ze)任公司一(yi)段(duan)(duan)(duan)(duan)轉化(hua)爐(lu)(lu)為凱洛格型合成(cheng)氨工藝(yi)轉化(hua)爐(lu)(lu)，由輻(fu)射段(duan)(duan)(duan)(duan)、對流段(duan)(duan)(duan)(duan)和通(tong)風(feng)系(xi)統組成(cheng)，采用強制通(tong)風(feng)方式，爐(lu)(lu)膛輻(fu)射段(duan)(duan)(duan)(duan)有378根爐(lu)(lu)管(guan)，分(fen)成(cheng)9排，每(mei)(mei)排42根爐(lu)(lu)管(guan)底(di)部(bu)與下集(ji)氣(qi)(qi)管(guan)連(lian)通(tong)，在每(mei)(mei)根下集(ji)氣(qi)(qi)管(guan)中部(bu)有1根上(shang)升管(guan)，通(tong)過(guo)下集(ji)氣(qi)(qi)管(guan)匯集(ji)工藝(yi)氣(qi)(qi)體沿上(shang)升管(guan)引至爐(lu)(lu)頂(ding)的輸(shu)氣(qi)(qi)總管(guan)，通(tong)過(guo)輸(shu)氣(qi)(qi)總管(guan)將氣(qi)(qi)體送至二段(duan)(duan)(duan)(duan)轉化(hua)爐(lu)(lu)，工藝(yi)流程(cheng)如圖1所(suo)示(shi)。

圖1 一段轉化爐流程

     在2009年9月對全部爐管進行改造更新，將原厚壁管更換為薄壁管，下集氣管及上升管也同步進行更新。新爐管內徑為88mm，壁厚為13.2mm，管心距為260.35mm，材質為HP40-Nb M，設計壁溫為910℃，設計壓力為3.6MPa，設計壽命為10×10⁴h，轉化爐橫截面如圖2所示。

     轉(zhuan)化(hua)爐工藝氣(qi)(qi)入口(kou)溫度為(wei)512℃，出口(kou)溫度為(wei)822℃，輻(fu)射(she)段為(wei)頂燒(shao)(shao)式，由160個頂部燒(shao)(shao)嘴(zui)提(ti)供轉(zhuan)化(hua)反應(ying)所(suo)需熱量，爐管(guan)內(nei)的天然(ran)氣(qi)(qi)和(he)蒸汽在鎳催(cui)化(hua)劑(ji)作(zuo)用下吸收(shou)爐內(nei)燃燒(shao)(shao)熱量發生轉(zhuan)化(hua)反應(ying)，爐體(ti)結構布置如圖3所(suo)示。

     2022年8月，爐管全部更換，累積服役時間約為11×10⁴h。一段轉化爐是合成氨裝置的核心設備，任何1根爐管的損壞都會導致整個裝置停工，甚至引發火災爆炸等安全事故，因此爐管全壽命周期運行狀況分析對指導生產具有重要意義。

2 爐管材質概況

     合成氨裝置一段轉化爐與石油化工生產中的制氫轉化爐均采用烴類水蒸氣轉化法，在特定溫度、壓力、催化劑作用下，天然氣或輕質烴類與水蒸氣發生轉化反應得到氫氣，爐管長期在高溫、高壓的惡劣工況下服役，受催化劑裝填、工藝操作、燃燒器狀態、爐管本身材質等多方面因素影響，極易引起爐管局部過熱，使爐管材質性能迅速衰減以致發生蠕變、彎曲甚至開裂失效。早期爐管材質多為HK40高溫厚壁管，管壁厚度達到20mm左右，在高溫狀態下由于管內外存在較大溫差致使受熱膨脹不均勻，在管內壁產生較大的壓應力，管外壁產生較大的拉應力，在內外應力的作用下，該材質極易發生損壞。另外因管壁較厚，導致熱效率較低，嚴重制約轉化效率。隨著材料科學的發展，以HK系列材料為根基發展生產的HP系列耐熱合金鋼開始應用在轉化爐上，并逐漸取代了HK系列爐管，為了增強爐管的高溫強度及韌性，在HP系列基礎上增加了鈮、鎢、鉬、鈦等合金元素，形成了一系列的合金爐管鋼種牌號，其中HP40-Nb為一種爐管常用材料，對應國內牌號為ZG40Ni35Cr25Nb，具有良好的抗高溫蠕變性能、抗滲碳、抗氧化能力，用作轉化爐、裂解爐等爐管或爐內構件時使用溫度最高達1 100℃，抗氧化溫度上限達1 200℃^[1]。HP40-Nb爐管材質成分如表1所示。

3 重要生產事件

3.1 催化劑更換

     該爐(lu)管自2009年9月(yue)開(kai)工投(tou)入運行(xing)以來，直至2022年8月(yue)全(quan)(quan)部更(geng)換，在全(quan)(quan)部服(fu)役周期內(nei)累(lei)積(ji)使用(yong)了3批(pi)次催(cui)化(hua)劑：①2009年隨(sui)爐(lu)管更(geng)換進(jin)行(xing)的(de)裝(zhuang)填；②2013年隨(sui)裝(zhuang)置增產(chan)改造進(jin)行(xing)的(de)更(geng)換；③2019年因催(cui)化(hua)劑使用(yong)壽命耗盡，轉(zhuan)化(hua)率下降，能耗升高(gao)，影響裝(zhuang)置的(de)正常(chang)生產(chan)運行(xing)，而對其(qi)進(jin)行(xing)更(geng)換。

     一段轉化(hua)(hua)(hua)爐催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)一般使用壽(shou)命為3~4a，受催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)本身強度、裝(zhuang)(zhuang)填(tian)質(zhi)量(liang)、工藝操(cao)作等(deng)因(yin)素影(ying)(ying)響而不盡相同，2013年更換(huan)的(de)(de)(de)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)運行(xing)效(xiao)果最(zui)好(hao)(hao)。該批次(ci)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)從(cong)更換(huan)開(kai)始，累積在(zai)線服役時(shi)間接近6a，在(zai)運行(xing)過(guo)程中表(biao)現(xian)出(chu)良(liang)好(hao)(hao)的(de)(de)(de)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)活(huo)性(xing)(xing)和(he)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)。從(cong)選擇適合西北地區油氣特性(xing)(xing)的(de)(de)(de)具有高(gao)強度、高(gao)選擇性(xing)(xing)、高(gao)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)、高(gao)活(huo)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)優質(zhi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)，到過(guo)篩、空管(guan)(guan)檢(jian)查、稱(cheng)重、分(fen)(fen)層裝(zhuang)(zhuang)填(tian)、振搗、壓差測定(ding)(ding)等(deng)，正確裝(zhuang)(zhuang)填(tian)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)對充分(fen)(fen)發揮其(qi)功(gong)能和(he)延(yan)(yan)長使用壽(shou)命具有重要作用。工藝條件控(kong)(kong)制(zhi)更是直接影(ying)(ying)響催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)壽(shou)命的(de)(de)(de)決定(ding)(ding)性(xing)(xing)因(yin)素，運行(xing)過(guo)程中的(de)(de)(de)超(chao)溫(wen)、中毒(du)、析(xi)碳等(deng)不良(liang)因(yin)素對催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)壽(shou)命都會造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)影(ying)(ying)響，若(ruo)不能及時(shi)發現(xian)并處理，甚(shen)至造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)整爐催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)報(bao)廢(fei)。因(yin)此(ci)(ci)在(zai)生產操(cao)作中需嚴格控(kong)(kong)制(zhi)操(cao)作溫(wen)度，防止催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)發生熔結或(huo)粉化(hua)(hua)(hua)。嚴密監(jian)測入口原料氣硫含量(liang)，防止催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)中毒(du)。嚴格控(kong)(kong)制(zhi)水碳比，并定(ding)(ding)期(qi)對儀表(biao)分(fen)(fen)析(xi)系統進行(xing)校(xiao)驗，防止發生析(xi)碳。以上措施(shi)在(zai)最(zui)大化(hua)(hua)(hua)延(yan)(yan)長催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)使用壽(shou)命的(de)(de)(de)同時(shi)，對延(yan)(yan)長爐管(guan)(guan)的(de)(de)(de)使用壽(shou)命同樣具有重要意(yi)義，催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)裝(zhuang)(zhuang)填(tian)不均(jun)(jun)或(huo)質(zhi)量(liang)不佳，以及超(chao)溫(wen)、中毒(du)、析(xi)碳等(deng)不良(liang)反應發生所造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)后果均(jun)(jun)是催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)效(xiao)能降低(di)，管(guan)(guan)內(nei)局(ju)部轉化(hua)(hua)(hua)反應變(bian)(bian)弱，不能及時(shi)將管(guan)(guan)外傳遞的(de)(de)(de)熱量(liang)消耗，造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)爐管(guan)(guan)局(ju)部超(chao)溫(wen)形成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)花管(guan)(guan)或(huo)亮(liang)斑，若(ruo)長期(qi)在(zai)此(ci)(ci)種工況下(xia)運行(xing)，將造(zao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)爐管(guan)(guan)局(ju)部超(chao)溫(wen)劣化(hua)(hua)(hua)蠕(ru)脹變(bian)(bian)形，甚(shen)至開(kai)裂爆管(guan)(guan)，導(dao)致(zhi)爐管(guan)(guan)失(shi)效(xiao)。

3.2 燃燒器更換

     2013年，為滿足裝置擴(kuo)產(chan)及(ji)環保需(xu)(xu)求，對(dui)一(yi)段轉化(hua)爐(lu)(lu)(lu)(lu)的(de)(de)(de)爐(lu)(lu)(lu)(lu)頂(ding)燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)進(jin)行更(geng)新改(gai)(gai)(gai)造(zao)，160個頂(ding)部燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)全部更(geng)換(huan)為低氮燃燒(shao)(shao)(shao)(shao)燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)。該批次(ci)燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)按(an)照合成氨(an)裝置增產(chan)50%的(de)(de)(de)產(chan)能需(xu)(xu)求進(jin)行設(she)(she)計制造(zao)，但其存在高效(xiao)工作(zuo)范圍窄、操作(zuo)彈(dan)性小的(de)(de)(de)缺(que)陷。在裝置負(fu)荷較(jiao)低的(de)(de)(de)狀(zhuang)態下，燃燒(shao)(shao)(shao)(shao)器達(da)不到(dao)最佳(jia)(jia)工況，燃燒(shao)(shao)(shao)(shao)效(xiao)果不佳(jia)(jia)，存在火(huo)(huo)(huo)焰(yan)(yan)(yan)飄忽(hu)、發散無(wu)力等問題，常態低負(fu)荷下可維(wei)持運行且對(dui)設(she)(she)備影響不大，2020年隨著(zhu)生(sheng)產(chan)負(fu)荷提(ti)高，火(huo)(huo)(huo)焰(yan)(yan)(yan)寬度急劇(ju)擴(kuo)大，強(qiang)度增強(qiang)，剛猛的(de)(de)(de)尾焰(yan)(yan)(yan)擴(kuo)展至兩側爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)迎火(huo)(huo)(huo)面，發生(sheng)舔(tian)燒(shao)(shao)(shao)(shao)爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)的(de)(de)(de)現象。2021年對(dui)該批燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)進(jin)行重新設(she)(she)計改(gai)(gai)(gai)造(zao)，調整其高效(xiao)工作(zuo)范圍以(yi)適應頻繁的(de)(de)(de)負(fu)荷調整，同時對(dui)燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)噴頭重新進(jin)行外形及(ji)結構設(she)(she)計，更(geng)換(huan)后燃燒(shao)(shao)(shao)(shao)效(xiao)果得到(dao)大幅度提(ti)升，火(huo)(huo)(huo)焰(yan)(yan)(yan)短促明亮(liang)、剛度好，不再舔(tian)燒(shao)(shao)(shao)(shao)爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)。但由于燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)更(geng)新改(gai)(gai)(gai)造(zao)前(qian)近(jin)一(yi)年時間的(de)(de)(de)高負(fu)荷生(sheng)產(chan)階段，原有燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)不良的(de)(de)(de)燃燒(shao)(shao)(shao)(shao)火(huo)(huo)(huo)焰(yan)(yan)(yan)高溫(wen)區(qu)已(yi)經對(dui)爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)中上部迎火(huo)(huo)(huo)面造(zao)成了(le)難以(yi)挽回的(de)(de)(de)損傷，對(dui)爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)的(de)(de)(de)使用(yong)壽命產(chan)生(sheng)了(le)至關重要(yao)的(de)(de)(de)影響。火(huo)(huo)(huo)焰(yan)(yan)(yan)舔(tian)燒(shao)(shao)(shao)(shao)爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)產(chan)生(sheng)局部的(de)(de)(de)高溫(wen)可能破壞催化(hua)劑(ji)(ji)載體的(de)(de)(de)強(qiang)度，導致催化(hua)劑(ji)(ji)碎裂粉化(hua)、活(huo)性降(jiang)低，從而使得轉化(hua)反應速(su)度減慢(man)，吸熱量減少，這又反作(zuo)用(yong)在爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)上，造(zao)成管(guan)壁(bi)溫(wen)度升高，局部過熱。在觀察爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)運行狀(zhuang)態時，可見爐(lu)(lu)(lu)(lu)管(guan)中上部受燒(shao)(shao)(shao)(shao)嘴(zui)(zui)尾焰(yan)(yan)(yan)影響區(qu)域，呈現明顯的(de)(de)(de)帶狀(zhuang)高溫(wen)區(qu)，如圖4所示(shi)。

     除此之外在服役過程中，催化劑搭橋、結焦等原因也會導致局部過熱，過熱溫度高達1 100℃。這種局部過熱現象會導致爐管使用壽命極大降低，嚴重時直接導致爐管失效^[3]。

3.3 一段轉化爐開、停車次數

     自(zi)新爐(lu)管(guan)(guan)投用至更換期(qi)間，一(yi)段轉化(hua)爐(lu)累計開、停(ting)車(che)(che)16次。對(dui)爐(lu)管(guan)(guan)而言(yan)，每次開停(ting)車(che)(che)溫(wen)(wen)度(du)循(xun)(xun)環(huan)變(bian)(bian)化(hua)1次，在(zai)(zai)(zai)(zai)運行階段管(guan)(guan)壁(bi)由于內部介質(zhi)(zhi)吸熱(re)(re)作用，在(zai)(zai)(zai)(zai)管(guan)(guan)壁(bi)內、外(wai)側存在(zai)(zai)(zai)(zai)一(yi)定溫(wen)(wen)差，熱(re)(re)膨脹(zhang)不(bu)一(yi)致，將導(dao)致管(guan)(guan)壁(bi)存在(zai)(zai)(zai)(zai)一(yi)定熱(re)(re)應(ying)力，在(zai)(zai)(zai)(zai)開、停(ting)車(che)(che)階段，應(ying)力急劇變(bian)(bian)化(hua)將對(dui)爐(lu)管(guan)(guan)性(xing)(xing)(xing)能產生(sheng)較大(da)影(ying)響(xiang)(xiang)。由頻繁的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)循(xun)(xun)環(huan)變(bian)(bian)化(hua)導(dao)致應(ying)力循(xun)(xun)環(huan)變(bian)(bian)化(hua)會(hui)引(yin)發金(jin)屬材(cai)料的(de)(de)(de)熱(re)(re)疲勞(lao)，金(jin)屬材(cai)料的(de)(de)(de)內部應(ying)力變(bian)(bian)化(hua)首先(xian)引(yin)發金(jin)屬表面結構產生(sheng)不(bu)均勻(yun)的(de)(de)(de)微觀塑(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)形，在(zai)(zai)(zai)(zai)塑(su)性(xing)(xing)(xing)變(bian)(bian)形應(ying)力最集中的(de)(de)(de)部位(wei)最先(xian)出現微小裂紋，這(zhe)種(zhong)(zhong)損(sun)傷(shang)(shang)不(bu)一(yi)定會(hui)導(dao)致管(guan)(guan)壁(bi)泄漏(lou)，但組織上的(de)(de)(de)缺陷(xian)會(hui)使(shi)該部位(wei)管(guan)(guan)壁(bi)的(de)(de)(de)綜合性(xing)(xing)(xing)能下降(jiang)，尤其在(zai)(zai)(zai)(zai)外(wai)壁(bi)受(shou)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)作用碳(tan)化(hua)物析出，導(dao)致強度(du)降(jiang)低時(shi)，兩種(zhong)(zhong)作用疊加(jia)，促使(shi)爐(lu)管(guan)(guan)蠕(ru)(ru)脹(zhang)鼓包甚至穿透性(xing)(xing)(xing)泄漏(lou)，給爐(lu)管(guan)(guan)帶(dai)來致命傷(shang)(shang)害(hai)。對(dui)于HP40-Nb材(cai)質(zhi)(zhi)而言(yan)，本身(shen)具有(you)較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)抗蠕(ru)(ru)變(bian)(bian)、抗氧化(hua)、耐高(gao)(gao)溫(wen)(wen)性(xing)(xing)(xing)能，在(zai)(zai)(zai)(zai)運行階段一(yi)般管(guan)(guan)內壁(bi)溫(wen)(wen)可(ke)達700℃左右，該溫(wen)(wen)度(du)下的(de)(de)(de)有(you)限次數循(xun)(xun)環(huan)開、停(ting)車(che)(che)溫(wen)(wen)度(du)變(bian)(bian)化(hua)對(dui)全(quan)奧(ao)氏體(ti)基體(ti)的(de)(de)(de)爐(lu)管(guan)(guan)相對(dui)損(sun)傷(shang)(shang)較弱，但這(zhe)種(zhong)(zhong)熱(re)(re)疲勞(lao)損(sun)傷(shang)(shang)不(bu)可(ke)逆轉，并(bing)(bing)會(hui)持續累積，頻繁的(de)(de)(de)開、停(ting)車(che)(che)會(hui)放大(da)不(bu)良影(ying)響(xiang)(xiang)，因(yin)此在(zai)(zai)(zai)(zai)生(sheng)產中應(ying)盡量(liang)減少開、停(ting)車(che)(che)次數，并(bing)(bing)控(kong)制升(sheng)、降(jiang)溫(wen)(wen)速度(du)，減少劇烈的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)變(bian)(bian)化(hua)沖擊(ji)。

4 爐管運行狀態分析

     一段(duan)轉化爐(lu)(lu)(lu)是合成(cheng)氨裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)的核心設備(bei)，378根爐(lu)(lu)(lu)管(guan)在900~1 200℃、2~3.6MPa的苛(ke)刻條件(jian)下服役，任何1根發生故障，都會導(dao)致整個裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)停車，損(sun)失巨大，因(yin)此(ci)對(dui)(dui)(dui)爐(lu)(lu)(lu)管(guan)損(sun)傷情況進(jin)行跟(gen)蹤及掌握(wo)尤為重要。除日常巡回檢查外，每個大修期間都應對(dui)(dui)(dui)爐(lu)(lu)(lu)管(guan)進(jin)行宏觀(guan)檢查與(yu)無損(sun)檢測，借以(yi)評估爐(lu)(lu)(lu)管(guan)能否在下一服役周期內(nei)安全可靠運(yun)行。因(yin)離心鑄(zhu)造爐(lu)(lu)(lu)管(guan)的結構特性(xing)，通(tong)常以(yi)超聲透射技(ji)術(shu)對(dui)(dui)(dui)爐(lu)(lu)(lu)管(guan)進(jin)行全面檢測，輔助以(yi)金(jin)相(xiang)檢查、蠕脹測量(liang)等其他手段(duan)，全方位對(dui)(dui)(dui)爐(lu)(lu)(lu)管(guan)損(sun)傷情況進(jin)行分級(ji)評定，爐(lu)(lu)(lu)管(guan)損(sun)傷分級(ji)及含義如表(biao)2所示。

     一段轉化爐爐管自2009年投用以來，分別于2010年、2013年、2016年、2019年、2020年、2021年進行過6次全面評級檢驗。至2013年爐管服役時間約為3×10⁴h，超聲爬管檢測評級除5根管為B_下級外，其余全部為A級，外觀無明顯彎曲、氧化，表面楊梅粒子完整，金相顯示材質晶界及晶內有碳化物析出沉積，原鑄態骨架狀結構晶界附近仍存有大量二次碳化物彌散分布，組織狀態良好，如圖5所示。

     至2016年爐管服役時間約為6×10⁴h，超聲爬管檢測評級大部分爐管狀態為B_下級，個別爐管損傷程度仍可達到A級，同時有個別爐管評級為B級管，外觀情況尚好，極少數爐管存在輕微蠕脹，金相檢驗顯示材質原奧氏體基體晶界的骨架狀結構基本消失，彌散分布的二次碳化物消失并沉積在晶界，導致晶界粗化，如圖6所示。表明爐管組織已經發生輕微劣化，但對爐管強度尚不會產生較大影響，仍處于較好的服役狀態。

圖6 服役6×10⁴h爐管金相

     至2019年爐管服役時間達到8×10⁴h，超聲爬管評級絕大部分爐管狀態為B_下級，有近20%的爐管評為B級，金相檢驗顯示被檢測部位爐管組織中的晶界原骨架結構完全消失，已經完全轉變成網鏈狀，原分布在晶內的碳化物在晶界附近沉積，導致晶界呈粗大網鏈狀，如圖7所示。但在晶界內尚未發現微小蠕變空洞及蠕變裂紋，表明爐管材質已經劣化，但仍處于使用壽命中期階段，在正常的操作條件下仍可安全使用。

圖7 服役8×10⁴h爐管金相

     鑒于爐管的評級狀況逐漸變差及使用時間的不斷延長，在接下來的使用中加強了檢測頻次，2020年受生產負荷提升與燒嘴運行不良雙重影響，檢測時發現爐管在距離爐頂1.5m的位置向下，普遍存在長度約2m的管段外觀顏色發黑，表面氧化嚴重，楊梅粒子大量脫落，存在輕微蠕脹的情況，但微觀檢測未發現明顯的裂紋缺陷，超聲爬管評級大部分評為B級管，個別損傷嚴重的評為B_上級。對該部分管段金相檢測顯示晶界碳化物更加集中，呈現較大的顆粒狀或球狀，晶內碳化物明顯消失，如圖8所示。此種情況表明，此段轉化爐管材質組織已經發生嚴重改變，基體強度下降，抗高溫性能和抗蠕變性能將可預見性的顯著降低，除此之外，爐管其余部位材質尚可，與歷史檢測情況相當。爐管雖能繼續使用，但需嚴格控制操作指標，在使用過程中加強跟蹤檢驗，具備條件可考慮對爐管進行取樣分析或者局部更換準備。

圖8 受(shou)損管段金相(xiang)

     至2021年爐管服役時間達到10×10⁴h，期間實施了針對燒嘴狀態不佳導致爐管中上部材質快速劣化而采取的燒嘴改造，燒嘴改造雖然取得了較好效果，但爐管累積的材質損傷已經不可逆轉，在此次檢測中發現十余根爐管中上部已經發生明顯儒脹鼓包，被評級為存在嚴重損傷不能安全運行的C級管，為防止其在運行過程中突發泄漏或爆管，對該部分爐管進行了堵管處理。其余大部分爐管損傷嚴重，存在中上部受熱面楊梅粒子全部脫落，表面呈現亮黑色的嚴重氧化，存在不同程度的輕微蠕脹變形，金相檢測顯示奧氏體基體晶內碳化物已經完全消失，晶界碳化物聚集，材質已經徹底劣化，如圖9所示。

     對封堵的爐管進行取樣評估，分別進行室溫拉伸試驗、高溫拉伸試驗、高溫蠕變持久試驗、彎曲試驗、沖擊試驗，檢驗結果表明抗拉強度、屈服強度顯著降低，在1 050℃、25MPa高溫蠕變持久試驗條件下，爐管持久斷裂時間遠低于相關標準中規定的最小斷裂時間，在彎曲試驗中試樣均發生斷裂，表明材質韌性下降，已經轉變為脆性材料。本次檢驗表明爐管損傷程度較高，顯微組織劣化嚴重，材質本身的抗氧化性、抗蠕變性能、高溫持久強度消耗殆盡，已經處于使用壽命末期，需監控使用。

     爐管(guan)(guan)(guan)在(zai)服役(yi)期(qi)間(jian)(jian)連續跟蹤(zong)的(de)(de)無損檢(jian)測(ce)(ce)是非常(chang)有必(bi)要(yao)的(de)(de)，其中超(chao)聲波(bo)透射(she)(she)技術主(zhu)要(yao)是針對HK40材質的(de)(de)厚壁爐管(guan)(guan)(guan)研(yan)發設(she)計，技術純(chun)熟準(zhun)確(que)度較(jiao)高，隨著(zhu)新材料(liao)的(de)(de)應(ying)用及爐管(guan)(guan)(guan)國產(chan)化(hua)，爐管(guan)(guan)(guan)壁厚及管(guan)(guan)(guan)徑各(ge)不相同，尤其薄壁管(guan)(guan)(guan)的(de)(de)應(ying)用導(dao)致(zhi)爬管(guan)(guan)(guan)檢(jian)測(ce)(ce)時(shi)超(chao)聲透射(she)(she)截面(mian)減(jian)小，檢(jian)測(ce)(ce)區(qu)域變得非常(chang)狹窄，準(zhun)確(que)性大打折扣，同時(shi)由于HP材料(liao)的(de)(de)專項研(yan)究較(jiao)少，專門的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)數據與(yu)分析經(jing)驗不充足，導(dao)致(zhi)其原有的(de)(de)評級體(ti)系準(zhun)確(que)性不高，對投用時(shi)間(jian)(jian)較(jiao)短的(de)(de)爐管(guan)(guan)(guan)其檢(jian)測(ce)(ce)結果參考意(yi)義不大，若服役(yi)時(shi)間(jian)(jian)接近爐管(guan)(guan)(guan)壽命晚期(qi)階段，利用大修周期(qi)進行(xing)超(chao)聲檢(jian)測(ce)(ce)仍有必(bi)要(yao)，因為(wei)該種(zhong)方式(shi)仍是目(mu)前(qian)可實現對爐管(guan)(guan)(guan)覆蓋面(mian)積最大的(de)(de)檢(jian)測(ce)(ce)方式(shi)，其檢(jian)測(ce)(ce)結果可提(ti)醒技術人員對回波(bo)異常(chang)的(de)(de)管(guan)(guan)(guan)段給予關注。

     無(wu)論什(shen)么原因(yin)造(zao)成的(de)爐(lu)(lu)管(guan)(guan)損傷，其實(shi)質都是(shi)組織的(de)變化，因(yin)此對(dui)爐(lu)(lu)管(guan)(guan)進(jin)行金(jin)相檢(jian)驗非常有(you)必要(yao)(yao)，金(jin)相分(fen)析(xi)可準確反映(ying)材料組織的(de)變化情況(kuang)，給出定性(xing)分(fen)析(xi)結論，并且可以在爐(lu)(lu)管(guan)(guan)的(de)某個區域逐年進(jin)行連(lian)續分(fen)析(xi)，以跟蹤材質的(de)劣化進(jin)程(cheng)，便于對(dui)其剩余使用壽命進(jin)行評(ping)估。但(dan)金(jin)相分(fen)析(xi)取樣面(mian)積小，耗費時間長，操作(zuo)精細度要(yao)(yao)求高(gao)，因(yin)此取樣點應具有(you)一定的(de)代表性(xing)。

     硬度(du)檢驗、常(chang)溫(wen)沖擊試(shi)驗、彎曲試(shi)驗等(deng)可以分析材料的(de)(de)力學性(xing)能變化情(qing)況，高(gao)(gao)溫(wen)持久試(shi)驗通(tong)過(guo)模擬(ni)高(gao)(gao)溫(wen)加載(zai)(zai)條(tiao)件(jian)，在一定溫(wen)度(du)與載(zai)(zai)荷強度(du)作(zuo)用(yong)下，通(tong)過(guo)斷裂時間反應(ying)材料的(de)(de)損(sun)傷情(qing)況，理論上通(tong)過(guo)溫(wen)度(du)與載(zai)(zai)荷狀態的(de)(de)模擬(ni)實驗可粗略估(gu)量爐管(guan)(guan)的(de)(de)剩余使用(yong)壽(shou)(shou)命(ming)，但一般正常(chang)運行(xing)階段不具(ju)備截(jie)取試(shi)樣條(tiao)件(jian)，當有換管(guan)(guan)或堵管(guan)(guan)等(deng)非(fei)常(chang)規(gui)操作(zuo)機會時，截(jie)取試(shi)樣進行(xing)分析對預估(gu)剩余壽(shou)(shou)命(ming)和指導生產具(ju)有重大意(yi)義。

5 影響使用壽命因素

5.1 制造因素

 ;    高溫(wen)(wen)合(he)金鑄造爐管(guan)(guan)采用(yong)離心澆(jiao)(jiao)鑄而成，制造工藝(yi)控制不(bu)嚴(yan)可能導致熔煉(lian)鋼(gang)水中(zhong)的雜質不(bu)能在(zai)離心澆(jiao)(jiao)鑄時排到管(guan)(guan)的外(wai)表(biao)面(mian)，而是呈(cheng)螺旋狀分(fen)布在(zai)基體組織中(zhong)，這將成為(wei)(wei)鑄管(guan)(guan)的薄弱點，在(zai)高溫(wen)(wen)運行時抵(di)抗不(bu)住(zhu)應力(li)的影響，率先產(chan)生裂紋(wen)損壞。此外(wai)企業在(zai)制造過程中(zhong)為(wei)(wei)節省成本，母材中(zhong)各有效(xiao)元素含量一般會控制在(zai)標準下(xia)限，這也將對(dui)爐管(guan)(guan)的抗氧(yang)化性、抗蠕變能力(li)及高溫(wen)(wen)強度產(chan)生一定影響。

5.2 升、降溫速率控制

     開、停(ting)車過(guo)程中正常(chang)的(de)(de)升、降(jiang)溫一般(ban)不會對(dui)爐(lu)(lu)管(guan)產(chan)生(sheng)(sheng)嚴重(zhong)影響，但在(zai)異常(chang)情(qing)況下的(de)(de)應急處(chu)置時，會面(mian)臨(lin)超溫或(huo)急速降(jiang)溫的(de)(de)過(guo)程，這可能(neng)造成爐(lu)(lu)管(guan)外壁所受(shou)的(de)(de)內部(bu)應力發(fa)生(sheng)(sheng)急劇變化(hua)(hua)，對(dui)組織造成疲勞損(sun)傷并逐漸累積，在(zai)經受(shou)頻繁(fan)的(de)(de)溫度沖擊后，造成管(guan)壁損(sun)壞開裂。同(tong)時急劇的(de)(de)溫度變化(hua)(hua)也會引起(qi)催化(hua)(hua)劑(ji)載體內部(bu)應力的(de)(de)驟變，導(dao)致催化(hua)(hua)劑(ji)粉化(hua)(hua)碎裂，增大管(guan)內阻力，使(shi)氣體流量減少，導(dao)致爐(lu)(lu)管(guan)局部(bu)過(guo)熱蠕(ru)脹損(sun)壞。生(sheng)(sheng)產(chan)過(guo)程中應盡可能(neng)平穩(wen)開車，同(tong)時減少緊急停(ting)工次數，延(yan)長爐(lu)(lu)管(guan)使(shi)用壽(shou)命。

5.3 操作控制

     爐(lu)管在長期運行(xing)過程中會因為應(ying)力(li)疲勞(lao)、熱疲勞(lao)、蠕脹(zhang)裂(lie)紋、彎(wan)曲(qu)變(bian)形、組織(zhi)劣化(hua)(hua)(hua)(hua)、強(qiang)度(du)(du)韌性(xing)降(jiang)低等多(duo)種原因發(fa)(fa)(fa)生破(po)裂(lie)或(huo)斷裂(lie)失(shi)效，眾多(duo)導致爐(lu)管直接失(shi)效原因發(fa)(fa)(fa)生的(de)基(ji)礎都有高(gao)溫(wen)的(de)影響，高(gao)溫(wen)下材料(liao)組織(zhi)表面(mian)的(de)碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)流(liu)失(shi)，內部二次碳(tan)(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)不斷沿(yan)晶界析出，導致材料(liao)脫(tuo)碳(tan)(tan)(tan)組織(zhi)劣化(hua)(hua)(hua)(hua)，引(yin)起材料(liao)的(de)強(qiang)度(du)(du)、硬度(du)(du)、韌性(xing)、抗疲勞(lao)性(xing)能降(jiang)低，最(zui)終引(yin)發(fa)(fa)(fa)破(po)裂(lie)。因此在日常操作(zuo)過程中需嚴格控制操作(zuo)溫(wen)度(du)(du)，及時處理因催化(hua)(hua)(hua)(hua)劑或(huo)燒嘴(zui)引(yin)發(fa)(fa)(fa)的(de)紅斑(ban)、亮管、花管、舔(tian)管問題，避免爐(lu)管發(fa)(fa)(fa)生局部超溫(wen)過熱，造成材質損傷。

6 結束語

       從一段轉化爐爐管服役的11×10⁴h全壽命周期的連續檢測過程中可以發現，在（8~10）×10⁴h階段，負荷的提升疊加燒嘴舔管的影響使爐管材質發生了快速劣化，直接導致爐管使用壽命大幅度縮短。在生產中除嚴密監測爐管運行狀態和定期跟蹤檢驗外，還要重點關注燃燒器燒嘴的工作狀態，盡量避免偏燒舔管，每次負荷調整后應現場確認燒嘴燃燒狀態，有檢修機會應對燒嘴進行疏通，清除積碳確保燃燒狀態正常。在爐管運行過程中溫度是最重要的影響因素，即使很小區域的局部過熱對爐管來說也是致命的，無論是蠕脹開裂還是應力腐蝕裂紋或是熱疲勞斷裂，其根本原因均是基體組織首先發生變化，損傷逐漸累積破壞組織的穩定性和強度導致爐管鼓包開裂，喪失使用功能，因此在裝置生產中應切實做好設備管理，嚴控操作指標，合理確定升、降溫速率，以此來保障爐管的安全運行，最大化的延長其使用壽命。

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