乙烯裂解炉静态铸造管件射线检测影像研究

刘建杰、储拥军、陈俊海、连晓明

（合肥通用机械研究院，合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，中国 合肥 230031）

摘要：某石化企业乙烯裂解炉现场HP Low C材质静态铸造管件母材在射线检测（RT）过程中出现黑色影像显示，通过光学和电子金相观察，结合射线检测和渗透检测（PT）等无损检测方法进行验证，判定黑色影像属于局部晶粒粗大引起晶间衍射从而产生的非缺陷类影像显示，采用改变X射线入射角和射线能量、增加增感屏滤波等方法可以减少或消除RT检测非缺陷类影像显示。

关键词：静态铸造管件；射线检测；渗透检测；非缺陷类影像

基金项目：基金项目：国家重点研发计划（2017YFF0210402）、安徽省杰出青年科学基金自助（项目编号：1708085J05）

1、引言

乙烯裂解炉辐射段盘管由炉管和连接炉管及其他部件的管件组成，管件通常包括Y型管、热电偶基管、扭曲片管、弯头等。炉管一般选择离心铸造高合金25Cr35NiNb+MA、35Cr45NiNb+MA、20Cr32NiNb材料；管件一般选择与炉管相同材质。由于管件结构的复杂性，无法通过离心铸造完成，因此普遍采用静态铸造的方式制造。

HG/T 3673-2011《高温承压用静态铸造合金管件》对静态铸造管件的RT检测要求如下：1）首件铸件进行100%RT检测，合格以后按铸件数量的5%抽样（最少1件），再作100%RT检测；2）铸件焊接坡口及邻近25mm范围内外表面应进行100%RT检测；3）RT检测结果应符合GB/T 5677-2007《铸钢件射线照相检测》中的Ⅱ级规定。SH/T 3423-2011《石油化工管式炉用铸造高合金炉管及管件技术条件》静态铸造管件的RT检测要求：1）应对管件焊接坡口及其相邻13mm范围的区域、深度超过3mm的补焊金属区域和所有外观检查有怀疑处进行100%射线检测；2）应对每一砂型浇铸出的第一个铸件以及其后每炉铸件中的任意一个进行射线检测。除此以外的铸件，应抽取不少于该铸件数量的10%，最少为1个进行射线检测。检测范围为管件浇口和冒口切割处；3）焊接接头RT检测应按照NB/T 47013.2-2015《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》的规定进行，射线透照质量等级不得低于AB级，合格级别为Ⅱ级；4）铸件RT检测应按照GB/T 5677的规定进行。壁厚不超过51mm者，气孔、夹砂、夹渣和收缩的允许最大等级，在管件焊接坡口及其相邻13mm范围的区域为1级，其他铸件均为2级。不允许出现裂纹、热裂、嵌入物等缺陷。

国内一般订货技术条件对静态铸造管件的RT检测要求：1）静态铸造管件母材：检测对象为每一砂型浇铸的第一个管件，按照GB/T 5677-2007《铸钢件射线照相检测》的规定进行，合格等级为Ⅱ级；2）焊接坡口和焊接接头：所有管件的焊接坡口及所有预留现场焊接的坡口外加长13mm的区域、所有对接接头焊缝，按照NB/T 47013.2-2015的规定进行，质量等级不得低于AB级，Ⅱ级为合格，且一次性Ⅰ级片率应大于98%。

某石化企业对裂解炉炉管出口与废热锅炉对接的焊缝进行RT检测过程中，发现静态铸造管件母材距离焊缝100mm内有黑色影像显示，RT底片如图1所示。此静态铸造管件材料为HP Low C，属于低碳的高合金25Cr35NiNb+MA材料。

 

图1  静态铸造管件母材RT检测黑色影像显示

为判断上述黑色影像显示是否属于制造缺陷，本文针对现场提供的RT检测出现黑色影像显示的静态铸造管件进行解剖，并开展系列RT、PT、光学金相和电子金相观察试验，最终给出黑色影像产生原因，并针对相同类型高合金静态铸造管件材料RT检测黑色影像形成机理和特点，提出消除RT检测黑色影像的方法。

2、试验材料及方法

2.1 试验材料

试验材料为某石化企业提供的现场RT检测出现黑色影像显示的静态铸造热电偶基管，其材质、规格等信息见表1。HP Low C材质热电偶基管主要元素化学成分为：C：0.1~0.15wt.%，Si：0.8~1.5 wt.%，Mn：1.0~1.5 wt.%，S：≤0.03 wt.%；P：≤0.03 wt.%，Cr：25~28 wt.%，Ni：35~37 wt.%，Nb：1.2~1.6 wt.%。

表1  热电偶基管基本信息

2.2  试验方法

1）RT检测：射线源为X射线，透照方式分别采用双壁双影、双壁单影两种方式进行透照，像质计为FeII，焦点尺寸2.5×2.5mm，增感方式选择铅屏（前后0.03mm）背面加铅板屏蔽散射，透照次数为6次，焦距300mm，片长80×180mm，底片黑度要求为2.0-4.0，选择手工冲洗的方式进行暗室处理。

2）PT检测：对RT检测有黑色影像部位进行解剖，根据黑色影像的形态，选择以横截面或纵截面为观察面，进行PT检测：当黑色影像长轴方向主要平行于管件轴向时，选择横截面为观察面，横截面横穿黑色影像区域，间距5mm；当黑色影像长轴方向主要垂直于管件轴向时，选择纵截面为观察面，纵截面横穿黑色影像区域，间距5mm。

3）金相观察：对RT检测有黑色影像显示的部位进行解剖，分别以横截面和纵截面为观察面，进行光学金相和电子金相观察试验，观察黑色影像显示部位和其他未出现黑色影像的部分微观组织、碳化物等差异。

4）晶粒度评定：对RT检测有黑色影像显示的部位和未出现黑色影像显示的部位进行奥氏体晶粒度评定，比较不同部位晶粒尺寸。

3、实验结果与讨论

3.1  试验结果

1）RT检测：

检测部位为热电偶基管坡口端，示意图见图2，先采用双壁单影法透照一组（6张），见图3；再采用单壁单影法进行透照一组（6张），见图4。

 

图2  RT检测部位示意图

 

 

图3  双壁单影像法示意图

 

 

图4  单壁单影像法示意图

RT检测6张底片结果见表2：6张底片均有黑色影像显示，黑色影像长度10~60mm不等。

表2  RT检测结果

2）PT检测：

对RT检测有黑色影像部位进行解剖，以横截面为观察面，进行PT检测，在此区域内沿轴向每间隔10mm截取环状试样，共取8件试样，检测结果如图5所示，8件试样PT检测未发现超标缺陷。

 

图5  PT检测结果照片

3）金相观察/晶粒度评定：

为验证RT检测黑色影像区域是否存在超出PT检测极限的较小尺寸的缺陷，在此区域内切割4件块状试样，对试样横截面进行光学金相和电子金相观察试验和晶粒度评定，4件试样金相照片结果如图6~图9所示：试样组织为奥氏体+晶界碳化物，奥氏体晶粒度约为2.5级，取样部位均未观察到裂纹等缺陷。

 

靠近内壁

 

中间壁厚

 

靠近外壁

图6  1#试样光学和电子金相照片

 

靠近内壁

 

中间壁厚

 

靠近外壁

图7  2#试样光学和电子金相照片

 

靠近内壁

 

中间壁厚

 

靠近外壁

图8  3#试样光学和电子金相照片

 

靠近内壁

 

中间壁厚

 

靠近外壁

图9  4#试样光学和电子金相照片

 

 

3.2  讨论

解剖后的PT检测和金相观察等试验结果表明，RT检测黑色影像区域未观察到宏观缺陷，即RT检测黑色影像显示为非缺陷类显示。现就非缺陷类显示形成原因和消除方法进行讨论：

1）形成原因：根据晶体学布拉格方程：2dsinθ=nλ，式中：n为正整数；d为晶体晶格间距；θ为入射X射线与晶面的夹角，即布拉格角；λ为入射X射线波长。当X射线以布拉格角θ入射到某晶体晶格间距为d的晶面上时，在符合布拉格方程条件下，在反射方向上会得到因叠加而加强的衍射线，形成衍射斑纹。

HP Low C材质的静态铸造管件晶粒度约2.5级，晶粒粗大，且奥氏体晶粒结构复杂，不同部位往往存在不同结晶方向。在RT检测过程中，当入射X射线穿过奥氏体晶粒时，X射线入射角与静态铸造管件奥氏体结晶方向、晶粒大小、晶格间距等满足布拉格方程时，就会产生衍射，从而在底片上形成衍射斑纹，即发射到底片上的黑色影像显示。

2）消除非缺陷类显示方法：根据布拉格方程，在RT检测对象确定的情况下，改变入射X射线布拉格角和波长均会显著影响衍射的发生。因此，改变入射X射线角度和射线能量，并反复核对，可减少甚至消除衍射引起的非缺陷类显示。此外，在底片上方增加铅箔增感屏，可以过滤较低能量的散射线，使底片上影响对比度提高，更加清晰，也可在一定程度上减少非缺陷类显示。

4、结论

本文对乙烯裂解炉高合金静态铸造管件RT检测黑色影像区域进行解剖并开展PT检测、光学金相/电子金相观察和晶粒度评定试验，得出结论如下：

高合金静态铸造HP Low C材质管件RT检测黑色影像属于晶间衍射产生的非缺陷类影像显示。

参考文献

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