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有限公司，安徽 合肥 230031)

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形管、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的材质。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。国内一般订货技术条件对静态铸造管件的RT检测要求是：1)对于静态铸造管件母材，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)对于焊接坡口和焊接接头，检测对象为所有管件的焊接坡口及所有预留现场焊接的坡口外加长13 mm的区域以及所有对接接头焊缝，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，技术等级不得低于AB级，质量等级Ⅱ级为合格，且一次性Ⅰ级片率应大于98%。

某石化企业按照上述要求对裂解炉炉管出口与废热锅炉对接的焊缝进行RT检测时发现，焊缝质量合格，但静态铸造管件母材距离焊缝100 mm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。

为判断上述黑色影像显示是否属于制造缺陷，首先对现场提供的RT检测出现黑色影像显示的静态铸造管件进行复验，如确有黑色影像显示，则对其解剖并通过PT检测观察是否有缺陷。同时为验证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，对试件进行光学金相和电子金相观察。

图1 静态铸造管件母材RT检测黑色影像显示

1 试验材料及方法

1.1 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的化学成分见表2。

表1 热电偶基管基本信息

表2 HP Low C材质热电偶基管主要元素化学成分 w,%

1.2 试验方法

1.2.1RT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2种方式，像质计为FeII，焦点尺寸2.5 mm×2.5 mm，增感方式选择铅屏(前后0.03 mm)背面加铅板屏蔽散射，透照次数为6次，焦距300 mm，片长80 mm×180 mm，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。

1.2.2PT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，具体的选择原则为：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5 mm；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5 mm。

1.2.3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、碳化物等的差异。

1.2.4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。

2 实验结果与讨论

2.1 试验结果

2.1.1RT检测

检测部位为热电偶基管坡口端，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。

RT检测6张底片结果见表3。由表3可见，6张底片均有黑色影像显示，长度10～60 mm不等。

图2 RT检测部位示意

图3 双壁单影像法示意

图4 单壁单影像法示意

试样编号底片编号检测结果/mm1号0-1黑色影像显示,长151-2黑色影像显示,长202-3黑色影像显示,长303-4黑色影像显示,长10～304-5黑色影像显示,长605-0黑色影像显示,长20～30

2.1.2PT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10 mm截取环状试样，共取8件，检测结果如图5所示。由图5可见，8件试样PT检测均未发现超标缺陷。

图5 PT检测结果

2.1.3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。由图6～图9可见，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。

图6 1号试样光学和电子金相照片

2.2 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。下面就非缺陷类显示形成原因和消除方法进行讨论。

图7 2号试样光学和电子金相照片

图8 3号试样光学和电子金相照片

图9 4号试样光学和电子金相照片

1) 形成原因。

根据晶体学布拉格方程：

2dsinθ=nλ

式中：d——晶体晶格间距；

θ——入射X射线与晶面的夹角，即布拉格角；

n——正整数；

λ——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，在符合布拉格方程的条件下，反射方向上会得到因叠加而加强的衍射线，形成衍射斑纹【1-7】。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，在底片上形成衍射斑纹。后续RT检测过程中，该石化企业反馈，在改变入射角度和射线能量后，底片上的黑色影像显示有较大幅度的减轻，间接说明了底片上的黑色影像显示可能为衍射斑纹。

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【8】。此外，有实验表明，在底片上方增加铅箔增感屏，可以过滤较低能量的散射线，使底片上影像对比度提高，更加清晰，也可在一定程度上减少非缺陷类显示。

3 结语

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，开展PT检测、光学金相/电子金相观察和晶粒度评定试验，结果表明，该区域并未发现缺陷显示。经分析，高合金静态铸造HP Low C材质管件RT检测黑色影像可能属于奥氏体晶间衍射产生的非缺陷类影像显示。改变入射X射线角度和射线能量，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，提高影像对比度，也可在一定程度上减少非缺陷类显示。