氮氣加熱器超溫失效分析

杜亞強

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州730030）

1 概述

2017年03月初，對某化工廠聚丙烯裝置整套設備進行定期檢驗，期間發現一臺水平安裝的氮氣加熱器未拆保溫時，水平鞍座地腳螺栓偏移，便對該容器整體保溫進行拆除，發現外部筒體向上隆起變形，上下端點水平位移差4cm，外部發黑，鞍座固定螺栓移位，鞍座與筒體連接焊縫存在明顯肉眼可見宏觀裂紋，如圖（1-2）所示。

圖1 變形過燒程隆起實況圖

圖2 外脫落，鞍座位移，材料石墨化實況圖

2 設備信息

名稱：氮氣加熱器；設計壓力0.45MPa；設計溫度280℃；允許操作溫度≤280℃,實際操作溫度400～480℃，介質為氮氣；尺寸為 Φ450×2620(mm)，材質為Q235；2012年經檢驗評定為2級6年。

3 失效分析

該臺設備使用工況較差，條件惡略，長期處于超溫運行狀態，超溫運行范圍為400～480℃，長期伴隨急劇升溫與緩慢降溫情況。考慮在低于屈服應力的載荷作用下，該設備高溫部分金屬材料隨時間推移而緩慢發生塑性變形，金相觀察后，蠕變孔洞多在晶界處出現，中后期形成微裂紋，然后形成宏觀裂紋（位于接管角焊縫、環焊縫處）；當設備運行溫度遠高于Q235蠕變溫度閾值（380℃）時，可觀察到明顯的鼓脹、升長、隆起等變形；變形量主要取決于設備材質、溫度與應力水平的三者組合。高應力條件下，孔洞在晶粒中夾雜物處形成，隨蠕變損傷的持續而長大、匯合，形成穿晶蠕變。該設備蠕變變形速率隨應力水平越高，蠕變變形速率越大，該臺設備超溫運行周期未知，而蠕變韌性低的材料發生蠕變時變形小或沒有明顯變形，但是伴隨應力斷裂、過熱、再熱裂紋等。

其次，長期暴露在427～596℃溫度范圍內的金屬材料，其珠光體顆粒分解成鐵素體顆粒和石墨，碳化物分解后，形成石墨球；石墨化損傷的末階段與蠕變強度降低有關，包括微裂紋、微孔洞形成、表面及近表面開裂；溫度低于427℃時，石墨化速率極慢；溫度越高，石墨化速率越快，該設備局部屈服和顯著塑性變形的區域，包括高應力集中區，已發生石墨化;另一方面石墨化程度可分為無、輕微、中等和嚴重四類，石墨化速率很難預測，僅憑工程使用經驗可知，溫度高于538℃時熱影響區嚴重石墨化僅需5年，而454℃時輕微石墨化需要30～40年，石墨化損傷后期產生的表面開口裂紋（位于接管叫焊縫、環焊縫處）。參考國標表達為425℃以上發生石墨化，而API說427～593℃區間內產生，但 400℃也都是保守值，部分設備用了在450℃環境下四五十年也未曾出現問題，所以針對該臺設備的分析都是相對的，但538℃以上就會在短短幾年內形成嚴重的石墨化。而珠光體球化，API推薦性標準解釋為440-760℃區間可能發生，球化和石墨化是發生在重疊的溫度范圍的相互競爭的機理，在高于大約552℃ 的溫度下，石墨化可能在球化后發生，在低于552℃ 下，石墨化在鋼完全球化前發生。但不容忽視的是石墨化后材料強度極低，石墨以片狀形式出現，使材料強度大大降低，脆性增加；如果長期冷熱交替工作，那么材料內部在溫差變化引起的熱應力作用下，會產生微小裂紋而不斷擴展，最后導致破裂。因此，該設備在溫度起伏變化工作條件下的結構、應力分布均應應考慮鋼材的熱疲勞性能。

最后還應考慮該材料長期高溫超過蠕變溫度閾值（380°）時脫碳的過程，碳在高溫下與氫或氧發生作用生成甲烷或一氧化碳。脫碳是擴散作用的結果，脫碳時一方面是氧向鋼內擴散；另一方面鋼中的碳向外擴散，從最后的結果看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時才能形成。當氧化速度很大時，可以不發生明顯的脫碳現象，即脫碳層產生后鐵即被氧化而成氧化鐵皮。因此，在氧化作用相對較弱的氣氛中，可以形成較深的脫碳層。脫碳層的組織特征為脫碳層由于碳被氧化，反映在化學成分上其含碳量較正常組織低；反映在金相組織上其滲碳體（Fe3C）的數量較正常組織少；反映在力學性能上其強度或硬度較正常組織低。鋼的脫碳層包括全脫碳層和部分脫碳層（過渡層）兩部分，部分脫碳層是指在全脫碳層之后到鋼含碳量正常的組織處，在脫碳不嚴重的情況下，有時僅看到部分脫碳層而沒有全脫碳層，關于脫碳層深度可根據脫碳成分、組織及性能的變化，該設備可采用多種方法測定。

4 優化方式

約束設計范圍內的額定可運行工況上限，針對替換設備設計時充分考慮各種不利因素，選擇合理的截面形式和開孔補強，降低局部高應力，選用蠕變韌性儲備足夠的材料，或添加合適的合金成分，并進行合適的焊后熱處理提高材料蠕變韌性；需明確蠕變損傷不可逆，一旦檢測到損傷或開裂，應進行壽命評價，發現嚴重損傷或裂紋時應進行更換，采用焊接方法修理時宜選擇較高的焊后熱處理溫度；改進工藝運行參數或物料組分比，降低工藝運行溫度至蠕變閾值以下，或減少設備局部過熱情況，并減少結垢或沉積，對結垢和沉積物及時進行清除，對可能發生過熱或超溫，以及應力狀態復雜的部位進行金相檢查，必要時可微損或破壞性取樣試驗，測試材料高溫力學性能，配合表面無損檢測手段，目測檢測是否有鼓脹、鼓包、開裂、下垂和弧狀彎曲等，在最可能發生壁厚減薄的地方測量壁厚。