長期高溫服役乙烯裂解爐管焊接接頭損傷分析

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(1. 中國石油化工股份有限公司廣州分公司, 廣州 510726； 2. 青島新力通工業有限責任公司, 青島 266706)

長期高溫服役乙烯裂解爐管焊接接頭損傷分析

潘培明1,姚年善2

(1. 中國石油化工股份有限公司廣州分公司, 廣州 510726； 2. 青島新力通工業有限責任公司, 青島 266706)

為了研究長期高溫服役后乙烯裂解爐管焊接接頭的損傷情況，對服役6 a(年)后的Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的顯微組織、高溫持久性能、硬度等進行了分析。結果表明：經過長期高溫服役后，Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材及焊縫區域的原始共晶碳化物發生粗化，形成了連續的網狀結構，二次碳化物聚集長大成塊狀；碳化物M7C3和NbC分別轉變為M23C6和G相；焊接接頭的高溫持久性能下降，硬度升高；熔合線附近區域是整個焊接接頭的最薄弱區域;該乙烯裂解爐管服役6 a后焊縫熱影響區的損傷較為嚴重，爐管不宜繼續使用。

乙烯裂解爐管；焊接接頭；Cr35Ni45Nb合金；損傷；長期高溫服役；碳化物

乙烯裂解爐是乙烯工業中的核心部件，其工作環境復雜惡劣，處于滲碳、氧化、各種復雜應力工況下[1]，而乙烯裂解爐管的使用壽命影響著整個乙烯生產過程的運行。其爐管材料一般采用高鉻、高鎳合金，20世紀60年代開發出了HK40合金，70年代末開發了HP40合金，現在廣泛應用的材料是在HP合金的基礎上添加鈮、鈦、鋯、釔、鋁等元素的新型合金[2-5]，目前我國Cr35Ni45Nb合金材料在乙烯裂解爐中的應用非常廣泛[6-7]。乙烯裂解爐管是由奧氏體離心鑄造耐熱鋼管焊接而成，服役過程中焊接接頭是最容易失效的部件之一[8-10]，因此研究Cr35Ni45Nb合金爐管焊接接頭的損傷情況對防止乙烯裂解爐管失效具有重要的現實意義。

筆者從顯微組織、高溫持久性能、硬度、斷口等方面研究了服役6 a(年)的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解爐管焊接接頭的損傷情況，旨在為乙烯裂解爐管的壽命預測及日常維護提供數據支持。

1 試驗材料與試驗方法

試驗選用的爐管材料為服役6 a的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解爐管，從裂解爐出口區域選取，實際服役溫度為1 050 ℃左右。采用熒光光譜對爐管材料化學成分進行分析，其化學成分(質量分數,%)為：1.785Si，0.72Mn，0.029P，0.026S，18.83Fe，33.07Cr，44.73Ni，0.741Nb，0.005Ti，0.001Zr。從Cr35Ni45Nb合金爐管上切取金相試樣，經200～2 000號砂紙打磨后機械拋光，最后使用10%(質量分數)的草酸溶液在5 V電壓條件下進行電解侵蝕。采用MEF-4型光學顯微鏡、SUPRA55型掃描電鏡觀察分析焊接接頭母材及熔合區的顯微組織變化、碳化物析出情況及斷口形貌。采用RWS-50型蠕變持久試驗機測試焊接接頭的持久強度，試驗溫度為1 100 ℃，試驗應力為17 MPa。采用維氏硬度計測試焊接接頭的硬度，試驗載荷為9.8 N，保載時間為15 s。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

乙烯裂解爐管材料經歷了長期高溫服役以后，組織發生退化，碳化物發生轉變。Cr35Ni45Nb合金的鑄態顯微組織由奧氏體與共晶碳化物組成，原始共晶碳化物為非平衡態的M7C3和NbC，服役過程中在枝晶內部會析出二次碳化物M23C6，同時原始共晶碳化物也會轉變為M23C6，NbC轉變為G相[11-12]。當服役溫度低、時間短時，二次碳化物細小而分散，對材料有強化作用；隨著溫度的升高和時間的延長，二次碳化物聚集長大，材料強度開始降低。共晶碳化物隨著服役溫度的升高、時間的延長，其類型、形態也發生變化，M7C3向M23C6轉化，形態也由骨架狀向網鏈狀、斷續網鏈狀、間斷不連續大塊狀發展，材料高溫性能逐漸降低[13-15]。

圖1 鑄態及服役后焊接接頭的顯微組織形貌及能譜分析結果Fig.1 Microstructure morphology and energy spectrum analysis results of as-casting and serviced welding joints:a) as-casting microstructure morphology; b) serviced microstructure morphology; c) energy spectrum of point A; d) energy spectrum of point B; e) energy spectrum of point C; f) energy spectrum of point D

圖1為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭鑄態與服役6 a后顯微組織的背散射電子形貌，可以看出合金中明顯存在兩種第二相[13,16-17]，即灰色相和白亮相。由圖1c)～f)可以看出，A點為NbC，B點為M7C3，C點為G相，D點為M23C6。對比圖1a),b)可以看出，服役6 a后Cr35Ni45Nb合金中的碳化物明顯長大，原始共晶碳化物已經形成連續的網狀結構，在枝晶內部析出二次碳化物并長大成塊狀，原始的NbC轉變為G相后逐漸被長大的M23C6碳化物所包圍。

圖2為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭新焊縫及服役6 a后焊縫顯微組織的背散射電子形貌，圖2中相的種類與圖1所示的類似。由圖2可以看出：新焊縫母材及焊縫區存在兩種相，即灰色相和白亮相，分別為M7C3及NbC；服役6 a后焊縫母材及焊縫區的第二相也為兩種相，即M23C6及G相；焊縫區碳化物在服役后長大，母材中的碳化物也在服役后粗化。

圖2 焊接接頭新焊縫和服役后焊縫的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of new and serviced welding seam of the welding joints:a) new welding seam; b) serviced welding seam

由圖1及圖2可以看出，服役6 a后，雖然Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材碳化物粗化嚴重，并且形成了連續的網狀結構，但并未出現蠕變孔洞，損傷輕微。然而焊縫的熱影響區存在較多孔洞，說明組織損傷比較嚴重，爐管壽命嚴重縮短。

2.2 高溫持久性能

乙烯裂解爐管經歷長期高溫服役后組織發生惡化，降低了其高溫蠕變性能[18-19]。沿晶界分布的連續網狀共晶碳化物顯著降低了材料的高溫蠕變性能[19-20]，尤其是熔合線附近的母材與焊縫區域的碳化物在尺寸及密度方面相差較大，組織不均勻，成為優先發生失效的區域。表1為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭服役6 a后焊縫及母材的高溫持久性能，可以看出：經過長期高溫服役后，焊縫及母材的高溫持久性能降低較多，尤其是焊縫的高溫持久性能降低更多；新焊縫及服役后焊縫的高溫持久性能都明顯低于母材的，這也說明焊縫是乙烯裂解爐管的薄弱區域之一。因此，提高焊縫質量和高溫持久性能是延長乙烯裂解爐管服役壽命的重要措施之一。

表1 焊接接頭焊縫及母材的高溫持久性能Tab.1 High-temperature endurance property of base metal andwelding seam of welding joints

圖3 Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的L-M曲線Fig.3 L-M curves of welding joints of Cr35Ni45Nb alloy

為了評估高溫爐管的服役損傷情況，一些科研工作者采用金相法直接觀察其顯微組織，獲得材料服役后的相關信息，建立顯微組織與服役損傷之間的相關關系，然后進行評價。May I L等[21]進行了深入的研究，并提出了高溫爐管損傷分級圖。但僅僅采用金相法評價服役后乙烯裂解爐管的損傷情況并不能夠準確評定其損傷程度，拉森-米勒(L-M)參數法是一種應用最廣泛的外推法，圖3為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的L-M曲線。從圖3可以看出，新焊縫及鑄態母材的高溫持久強度均位于Cr35Ni45Nb合金L-M曲線的下限以上，而服役6 a后焊縫和母材的高溫持久強度均位于L-M曲線的下限以下，并且遠離下限。說明服役6 a后，該乙烯裂解爐管損傷非常嚴重，不宜繼續服役。

2.3 硬度

圖4為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭焊縫及母材的顯微硬度，可以看出，服役前后焊縫硬度均高于母材硬度，服役后焊縫及母材硬度均高于鑄態時焊縫及母材硬度。服役后焊縫硬度升高是由于原始共晶碳化物發生粗化及二次碳化物的析出。焊縫硬度高于母材硬度的原因是焊縫區域碳化物尺寸小于母材中的碳化物尺寸，并且碳化物密度也大于母材的，碳化物在焊縫區域呈細小彌散分布。服役后在焊縫及母材的內外表面均出現了硬度軟點是由于服役過程中內外表面發生了脫碳，形成了一層脫碳層。

圖4 鑄態及服役后Cr35Ni45Nb合金焊接接頭硬度Fig.4 Hardness of as-casting and serviced welding joints of Cr35Ni45Nb alloy: a) base metal; b) welding seam

2.4 斷口

圖5 Cr35Ni45Nb合金的高溫持久斷口形貌Fig.5 Morphology of high-temperature endurance fracture of Cr35Ni45Nb alloy:a) base metal; b) welding joint

圖5分別為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材及接頭的高溫持久試樣斷口。由于斷口在高溫下發生氧化，因而斷口表面覆蓋一層氧化膜。從宏觀斷口可以明顯看出韌性斷裂，從斷口形貌可以看出，母材及焊接接頭均為沿晶斷裂，明顯可見柱狀晶、等軸晶結構。圖6為服役6 a后Cr35Ni45Nb合金焊接接頭高溫持久試樣斷口的剖面形貌，可以看出裂紋沿熔合線開裂，這也說明熔合線附近是焊接接頭的薄弱區域。在粗大的碳化物與基體的界面周邊存在很多微裂紋，碳化物粗大造成材料高溫持久強度降低，這些粗大的原始共晶碳化物成為高溫持久斷裂過程中的裂紋源。

圖6 服役后Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的持久斷口剖面形貌Fig.6 Profile morphology of serviced welding joint of Cr35Ni45Nb alloy

3 結論

(1) Cr35Ni45Nb合金焊接接頭經過長期高溫服役后，母材及焊縫區域均發生了碳化物粗化，形成了連續的網狀結構，析出的二次碳化物長大成塊狀，同時原始共晶碳化物M7C3和NbC分別轉變為M23C6和G相。

(2) 經過長期服役后，Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材及焊縫區域的高溫持久性能降低，但硬度升高，且焊縫硬度高于母材硬度。通過對母材及焊接接頭的損傷分析可知，服役6 a后焊縫的熱影響區損傷非常嚴重，該乙烯裂解爐管不宜繼續使用。

(3) Cr35Ni45Nb合金經過長期服役后母材及焊接接頭的高溫持久斷裂方式為韌性沿晶斷裂，其中焊接接頭沿熔合線斷裂，熔合線附近區域是整個焊接接頭的薄弱區域。

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DamageAnalysisofWeldingJointsofEthyleneCrackingFurnaceTubesafterLong-TermServiceunderHighTemperature

PANPeiming1,YAONianshan2

(1. China Petroleum & Chemical Corporation Guangzhou Company, Guangzhou 510726, China; 2. Qingdao NPA Industry Co., Ltd., Qingdao 266706, China)

To investigate the damage situation of welding joints of ethylene cracking furnace tubes after long-term service under high temperature, the microstructure, high-temperature endurance property and hardness of welding joints of Cr35Ni45Nb alloy after a six-year service was analyzed. The results show that: after a high temperature and long term service, the primary eutectic carbides in base metal and welding seam of welding joints of Cr35Ni45Nb alloy coarsened and formed a continuous network structure, and the secondary carbides agglomerated together to blocky shape; the carbides of M7C3and NbC transformed into M23C6and G phase respectively; the high-temperature endurance property of welding joints decreased and the hardness increased; the area around the fusion line was the weakest zone of the entire welding joints; the damage of the heat affection zone of welding seam of ethylene cracking furnace tubes was comparatively serious after a 6-year service, and the furnace tubes should not be used any more.

ethylene cracking furnace tube; welding joint; Cr35Ni45Nb alloy; damage; long-term service under high temperature; carbide

10.11973/lhjy-wl201711004

TB35

A

1001-4012(2017)11-0786-05

2017-02-27

潘培明 (1963-)，男，工程師，主要從事石油化工設備管理工作，panpeiming.gzsh@sinopec.com