Вихретоковый контроль реакционных труб печей риформинга

Реакционные трубы для печей риформинга изготавливают из жаропрочных высокоуглеродистых никелевых сплавов методом центробежного литья. Производителями реакционных труб печей риформинга, обследованных нашими специалистами, являются фирмы “Kirchner” (Италия), “Kubota Corparation” (Япония), “Manoir Industries Pitres” (Франция), “Schmit+Clemens Gmbh” (Германия), ООО “Реакционные трубы” (г. Тольятти, Россия) и АО “Череповецкий литейно-механический завод”.

В процессе проведения вихретокового контроля нашими специалистами выявлялись дефекты различного происхождения, к ним относятся:

1)  внутренние дефекты (растрескивания и трещины, изменения структуры);

2)  наружные дефекты (растрескивания и трещины, закаты, окалина, ужимины, локальный перегрев, пористость, усадочные раковины, дефекты литья, капли застывшего металла, изменения структуры);

3)  подповерхностные дефекты (включения шкала, серы, газовые поры);

4)  разностенность (как в поперечном, так и в продольном направлении;

5)  механические повреждения поверхности (вмятины, царапины, наклепы);

6)  дефекты сварного шва (трещины, непровары, шлаковые и газовые включения, подрезы).

Все эти дефекты подразделяются на эксплуатационные дефекты и дефекты технологического характера. Эксплуатационные дефекты достаточно подробно описаны в различных источниках. Хотелось бы остановиться на дефектах технологического характера.

Согласно ГОСТ 977-88 “Отливки стальные. Общие технические условия” отливки должны быть очищены от формовочной смеси, окалины и пригара. Кроме этого, на подлежащей механической обработке поверхности отливки не допускаются дефекты поверхности в виде раковин, спаев, утяжин, плен и т. д., превышающие по глубине припуск на механическую обработку. Однако при вихретоковом контроле нами периодически выявляются поверхностные дефекты технологического характера, в основном раковины, ужимины, утяжки, нарушение цилиндричности и пористость металла. Приведем несколько примеров выявленных поверхностных дефектов. 

При вихретоковом контроле реакционных труб печи первичного риформинга аммиака ОАО “НАК “Азот” в 2010 году выявлен локальный внутренний дефект литья (фото 1). Производитель указанных труб − фирма “Manoir Industries Pitres” (Франция).                                                                                                                                                       

Фото 1. Внутренний поверхностный дефект литья.

При вихретоковом контроле реакционных труб печи первичного риформинга аммиака ОАО “НАК “Азот” в сентябре 2018г. выявлен локальный подповерхностный дефект литья (фото 2). Производитель указанных труб − фирма “Schmidt&Clemens GmbH” (Германия).

Фото 2. Подповерхностный дефект литья до зачистки.

При проведении первого капиллярного обследования выявлены множественные поверхностные поры (фото 3).

Фото 3. Дефект литья после первой зачистки.

При повторной зачистке вскрылась раковина округлой формы глубиной около 3 мм. Размер по горизонтали − 17 мм, по вертикали − 12 мм (фото 4).

Фото 4. Дефект литья типа раковина.

При вихретоковом контроле этой же печи на основном металле 32 реакционных труб выявлены протяженные дефекты литья (фото 5). Дефекты представляют собой наплыв металла снаружи трубы и, вероятно, являются дефектом кокиля, используемого при цетробежном литье реакционных труб. На отдельных трубах выявлено до 2 дефектов данного типа.

Фото 5. Протяженные дефекты литья.           

Поверхностные дефекты, вызванные повреждением используемого при цетробежном литье реакционных труб кокиля или нарушением технологии нанесения антипригарного покрытия, выявлены также при вихретоковом контроле реакционных труб печи риформинга аммиака цеха аммиака и метанола АО “Аммоний” в 2019 году (фото 6). Это заводской дефект литья в виде многочисленных неглубоких (до 1,5 мм глубиной) раковин. Раковины расположены по спирали вокруг трубы. Производитель указанных труб − фирма “Schmidt&Clemens GmbH” (Германия).

Фото 6. Множественные поверхностные дефекты литья.

Чаще встречаются поверхностные дефекты литья небольшой глубины (фото 7).

Фото 7. Поверхностные дефекты литья.

Периодически на поверхности реакционных труб выявляются дефекты литья типа пор (фото 8).

Фото 8. Наружные одиночные поры.

При вихретоковом контроле металла низкотемпературных частей реакционных труб печи первичного риформинга аммиака ОАО “Гродно Азот” в 64 из них выявлены внутренние трещины глубиной от 30 до 100% от номинальной толщины стенки трубы. Производитель указанных труб − фирма “Schmidt&Clemens GmbH” (Германия). Выявленные трещины расположены, в основном, поперек продольной оси трубы (фото 9).

   Фото 9. Поперечно ориентированные трещины реакционных труб.

Однако выявлены также внутренние разноориентированные трещины (фото 10).

Фото 10. Внутренние разноориентированные трещины.

Все выявленные трещины по высоте расположены на участке между нижним срезом подвеса трубы и пигтелем.

Появление трещин металла низкотемпературных частей реакционных труб вызвано особенностями конструкции обследуемых реакционных труб, а именно тем, что обследуемый патрубок выполнен не из ферромагнитной по свойствам стали 15ХМ (как в большинстве работающих ранее в странах СНГ агрегатах по производству аммиака), а из аустенистой стали ASTM A 312 TP 304/304H. При прочих равных условиях сталь 15ХМ в отличие от аустенитных жаропрочных сталей стойка к межкристаллитному растрескиванию и появление трещин в металле верхних патрубков реакционных труб печи первичного риформинга, выполненных их стали 15ХМ не зафиксировано. Использованная для производства обследованных патрубков аустенитная сталь TP 304/304H склонна к межкристаллитному растрескиванию. Ввиду того, что теплопроводность аустенитной стали ASTM A 312 почти в два раза ниже теплопроводности стали 15ХМ, то при эксплуатации печи в районах с низкими температурами окружающей среды это приводит к возникновению условий для образования конденсата в зонах над пигтелем. Границы зон образования конденсата являются подвижными и зависимыми от внешней температуры окружающей среды. По границам этих зон происходит накопление химически активных по отношению к материалу трубы веществ. Следовательно, развитие межкристаллитного растрескивания спровоцировано либо хлоридами, либо иными химически активными по отношению к аустенитной стали веществами.

Характер выявленных трещин верхнего патрубка реакционных труб печи первичного риформинга цеха “Аммиак-3” ОАО “Гродно Азот” полностью соответствует характеру трещин, выявленных нами ранее в низкотемпературных частях реакционных труб аналогичной конструкции на установках по производству аммиака на заводах в Россоши, Кемерово, Новомосковске и Днепродзержинске (Украина).

Поэтому мы считаем системной ошибкой использование в качестве материала низкотемпературных частей реакционных труб печей риформинга аммиака аустенистой стали. Ранее используемая сталь 15ХМ (или аналогичные стали) в отличие от аустенитных жаропрочных сталей стойка к межкристаллитному растрескиванию и появление трещин в металле верхних низкотемпературных патрубков реакционных труб.

Отдельно следует остановиться на соблюдении производителями реакционных труб заложенной в конструкторской документации геометрии труб. В первую очередь речь идет о фактической толщине стенки изготовленных труб. Нами периодически выявляется дефект типа разностенность. Разностенность (или разнотолщинность) представляет собой внутреннее эксцентрическое утонение стенки, вызванное отклонением режущего инструмента от продольной оси трубы при обработке ее внутренней поверхности на заводе-изготовителе. Небольшие разностенности выявляются на трубах практически всех обследованных нами печей. Чаще всего разностенность фиксируется на краевых участках патрубков, реже – в средней части патрубков.

Например, на участках большинства обследованных реакционных труб металла реакционных труб печи риформинга цеха по производству аммиака AО “ Achema”, смежных со сводом печи выявлена разностенность небольшой величины, не более 1 мм. Производитель труб − фирма “Kubota Corparation” (Япония). Расположение участков реакционных труб печи с отклонением толщины стенки от номинального значения (разностеностью) приведено на Картограмме 1.

Картограмма 1. Расположение участков реакционных труб печи риформинга с отклонением толщины стенки от номинального значения (разностенностью).

Аналогичное расположение участков реакционных труб печи с разностенностью выявлено в 2016 году при вихретоковом контроле реакционных труб печи риформинга цеха по производству аммиака АО “Минудобрения” (г. Россошь), производителем которых также являлась фирма “Kubota Corparation” (Япония).

Пример расположения участков реакционных труб печи первичного риформинга цеха по производству аммиака Кемеровского АО “Азот” с отклонением толщины стенки от номинального значения приведен на Картограмме 2. Производитель указанных труб − фирма “Manoir Industries Pitres” (Франция).

Картограмма 2. Расположение участков реакционных труб печи риформинга с разностенностью.

Однако при вихретоковом контроле реакционных труб печи риформинга цеха по производству уксусной кислоты АО “Невинномысский Азот” в 2016 году в нижней околошовной зоне одного из патрубков выявлена разностенность, расположенная вдоль сварного шва. Амплитуда отклика на разностенность увеличивалась при приближении к сварному шву. Труба была демонтирована и передана на дополнительное лабораторное обследование в ПАО “НОРЭ”. Там при обследовании демонтированного фрагмента трубы с разностенностью было выявлено внутреннее эксцентрическое утонение стенки, возникшее при механической обработке внутренней поверхности трубы на заводе-изготовителе (фото 11). Наименьшая толщина стенки трубы на данном участке – 3,3 мм. При этом номинальная толщина стенки трубы по конструкторской документации – 7,0 мм, толщина стенки на участке трубы, где разностенность не выявлена – 8,0 мм. Производитель указанной трубы − фирма “Schmidt&Clemens GmbH” (Германия). Вывод лаборатории ПАО “НОРЭ” следующий: “…углубление внутри трубы сделано в цеховых условиях при механической обработке сварного соединения. Вероятно, после сварки удалялся грант или подкладное кольцо предназначенным для этой цели механическим инструментом и по недосмотру или сбоя центровки в районе сварного шва допустили одностороннее утонение металла трубы”. Факт грубого нарушения технологии производства труб налицо. 

Фото 11. Внутреннее одностороннее утонение стенки трубы.

При вихретоковом обследовании основного металла реакционных труб печи риформинга установки конверсии газо-химического завода ООО “Газпром нефтехим Салават” на одном из патрубков выявлено полукольцевое утонение стенки трубы, вероятно, возникшее в процессе литья или проточки заготовки трубы. Наличие внутреннего утонения стенки подтверждено визуальным осмотром данного участка трубы с помощью внутритрубной камеры (фото 12). Аналогичные локальные внутренние утонения стенки реакционных труб обнаружены при вихретоковом контроле труб крайне редко.

Фото12. Внутреннее полукольцевое утонения стенки.

Кроме этого, нашими специалистами производились замеры наружных диаметров реакционных труб как перед их установкой в печи, так и в процессе их эксплуатации. Ранее замеры производились штангенциркулем, с 2019 года измерение внешнего диаметра реакционных труб выполняется с помощью диагностического модуля “Политест РТ-01”, оснащенного лазерно-оптическими триангуляционными измерителями. Например,
при измерениях наружного диаметра реакционных труб печи риформинга цеха по производству уксусной кислоты АО “Невинномысский Азот” в 2013 и 2016 годах получены следующие предельные значения наружного диаметра реакционных труб: минимальное – 117,4 мм, максимальное – 119,6 мм, при номинальном наружном диаметре – 117,0 мм. Производитель указанных труб − фирма “Schmidt&Clemens GmbH” (Германия). Распределение измеренных значений по количеству приведено на нижерасположенной Диаграмме 1. На распределении явно выражены два максимума значений: 118,1÷118,4 мм и 118,7÷119,0 мм.

Диаграмма 1. Распределение по количеству измеренных значений наружного диаметра реакционных труб печи риформинга цеха по производству уксусной кислоты.

На распределении явно выражены два максимума значений: 118,1÷118,4 мм и 118,7÷119,0 мм. Замеры наружного диаметра труб проводятся для отслеживания величины прироста деформации в контрольных сечениях. Величина прироста деформации рассчитывается от величины первого замера, сделанного при монтаже печи, либо от величины номинального наружного диаметра, если замеры диаметра при монтаже печи сделаны не были. Но как же можно рассчитать прирост деформации при таком значительном разбросе фактических значений наружного диаметра. При измерениях наружного диаметра труб вышеуказанной печи отклонение от номинального диаметра в плюс достигало 2,6 мм.

При измерении в 2019 году лазерно-оптическим методом наружного диаметра реакционных труб печи парового риформинга производства метанола ООО “Сибметахим” максимальное отклонение наружного диаметра от номинального составило ± 2,0 мм. При этом имело место изменение наружного диаметра как по длине одного патрубка, так и от патрубка к патрубку. Отклонение минимального и максимального измеренного значения наружного диаметра от номинального значения для всех патрубков реакционных труб приведено на Картограммах 3 и 4.

Картограмма 3. Отклонение максимального измеренного наружного диаметра труб от номинального значения.

Картограмма 4. Отклонение минимального измеренного наружного диаметра труб от номинального значения.

Как известно, в процессе изготовления каждый элемент трубы и реакционная труба в целом подвергаются контролю неразрушающими методами по наружной и внутренней поверхностям, проходят контроль методом цветной или люминесцентной дефектоскопии, гидроиспытания после механической обработки. Однако, несмотря на это, имеются вышеуказанные технологические дефекты реакционных труб, выявить которые предприятия-изготовители в настоящее время не могут в силу тех или иных причин. Данная статья адресована, в первую очередь, руководству и техническим специалистам предприятий-изготовителей реакционных центробежнолитых труб и их элементов. Ее целью является повышение качества производимых реакционных труб, что, определенно, пойдет на пользу как их производителям труб, которые в этом случае получат конкурентные преимущества, так и пользователям этих труб.