某HP40Nb 爐管失效分析與性能測試

何家勝 沈弘毅 陳海見 唐海波

1 武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 （武漢 430205）

2 武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 （武漢 430073）

3 煙臺慕迪工業(yè)技術(shù)有限公司 （煙臺 264010）

在石油化工行業(yè)中，高溫爐管是一類十分重要的部件。爐管能否在設(shè)計年限內(nèi)保持正常運(yùn)行，直接關(guān)系著生產(chǎn)的安全。制氫轉(zhuǎn)化爐爐管的運(yùn)行溫度通常在800～900 ℃之間，壓力在0.5～4.0 MPa 之間。[1]Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的HP40Nb 奧氏體耐熱鋼，由于具有較好的抗?jié)B碳性能[2]、較強(qiáng)的抗高溫蠕變斷裂強(qiáng)度以及良好的抗氧化性與焊接性能，常常在石化行業(yè)中被作為轉(zhuǎn)化爐以及裂解爐爐管的優(yōu)良材料。

1 失效爐管概況

某企業(yè)HP40Nb 爐管在運(yùn)行8 年后出現(xiàn)裂紋，設(shè)備被迫停機(jī)。對從其他服役管段截取下來的未出現(xiàn)裂紋的2#管與已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的1#管進(jìn)行對比，如圖1 所示，1#爐管的表面出現(xiàn)了明顯的軸向裂紋。為了對爐管的損傷程度進(jìn)行分析以及為剩余爐管的安全運(yùn)行提供參考，對該爐管進(jìn)行了全面評定。

圖1 爐管形貌對比

表1 試樣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)值對照情況%

2 化學(xué)成分分析

爐管材料為離心鑄造成型的HP40Nb 鋼，為了保證2 種爐管的材料與設(shè)計時的情況相符，首先對爐管試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。將2 個管段各取2 個試樣進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析，得到2 個管段化學(xué)成分的平均值，如表1 所示。該爐管的化學(xué)成分要求符合HP40Nb 的標(biāo)準(zhǔn)值[3]。

3 力學(xué)性能分析

3.1 常溫（20℃）拉伸測試

通過常溫拉伸試驗(yàn)得知：1#爐管2 個試樣在常溫下的抗拉強(qiáng)度均為414 MPa，其平均值即σb1=414 MPa；2#爐管2 個試樣的抗拉強(qiáng)度分別為424，417 MPa，取平均值即σb2=420.5 MPa。與HP40 抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值（440 MPa）[4-7]對比，1#、2#爐管抗拉強(qiáng)度分別下降了5.9%與4.4%。在常溫抗拉性能方面，2 根服役后的爐管都略有下降，1#比2#的常溫拉伸性能劣化情況更嚴(yán)重。1#管段2 個試樣延伸率為6.7%和4.0%，平均值為5.35%；2#管段2 個試樣延伸率為5.0%和4.3%，平均值為4.65%；1#管段在延伸率方面優(yōu)于2#管段。

3.2 高溫短時拉伸測試

將1#與2#爐管材料加工成符合標(biāo)準(zhǔn)[8]的試樣，進(jìn)行900 ℃的短時拉伸試驗(yàn)，斷裂的試件如圖2 所示。試驗(yàn)測得1#爐管2 個試樣的高溫短時抗拉強(qiáng)度分別為139 和140 MPa，平均值為139.5 MPa，即σtb1=139.5 MPa；延伸率分別為45%和44%，平均值為44.5%。2#爐管2 個試樣的高溫短時抗拉強(qiáng)度均為141 MPa，即σtb2=141 MPa；延伸率分別為47%和45%，平均值為46%。HP40Nb 未服役爐管高溫短時拉伸的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為147.0 MPa[9]。服役后的1#爐管高溫短時抗拉強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)值相比下降了5.1%，服役后的2#爐管抗拉強(qiáng)度相較于標(biāo)準(zhǔn)值下降了4.1%。由此可得，服役后爐管高溫短時拉伸的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了略微下降。

圖2 高溫短時拉伸試驗(yàn)

3.3 高溫持久試驗(yàn)

高溫持久性能是評估爐管使用壽命的基本依據(jù)。為了明確2 根爐管剩余壽命的情況，對2 根爐管試件分別進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)。2 個試件在900 ℃環(huán)境中承受49 MPa 的載荷，1#爐管試樣持久時間為21 h50 min，2#爐管試樣持久時間為32 h21 min；而未服役的HP40Nb 爐管在900 ℃、49 MPa 條件下的蠕變斷裂時間不低于100 h。服役后的1#爐管高溫蠕變斷裂時間為21.8 h，與標(biāo)準(zhǔn)相比下降了78.2%；服役后的2#爐管高溫蠕變斷裂時間為32.4 h，與標(biāo)準(zhǔn)相比，下降幅度為67.6%。服役爐管的高溫蠕變斷裂時間都大幅度下降，說明2 根爐管在服役后都出現(xiàn)了較大幅度的抗高溫蠕變性能下降。

3.4 斷裂韌度試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析服役爐管的壽命，對材料的斷裂韌度進(jìn)行分析。斷裂韌度（單位為MPa·m0.5）可以直觀反映出材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，因而其實(shí)際測量值可以對材料的損傷分析提供參考。將試樣置于疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行裂紋的預(yù)制，隨后對預(yù)制裂紋后的試樣進(jìn)行裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，得到的各試樣斷裂韌度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 試件的斷裂韌度

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得：服役后的1#爐管斷裂韌度KQ1=27.625 MPa·m0.5，服役后的2#爐管斷裂韌度KQ2=28.542 MPa·m0.5。與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，未服役爐管的斷裂韌度值K1c=34.9 MPa·m0.5，2 根爐管的斷裂韌性分別下降了20.8%與18.2%。通過對比分析可以得知，服役后爐管斷裂韌性的下降與爐管高溫蠕變斷裂時間的減少趨勢是一致的，說明爐管長時間的運(yùn)行已對蠕變壽命和斷裂韌性產(chǎn)生了較大影響。1#爐管的損傷比2#爐管更嚴(yán)重。

綜合上述力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，對于爐管材料來說，主要影響其高溫蠕變性能的持久強(qiáng)度、斷裂韌性下降的程度明顯超過了短時拉伸性能下降的程度，這與通常認(rèn)為的蠕變裂紋擴(kuò)展引起材料脆性斷裂的觀點(diǎn)一致，且這類破壞并不要求材料達(dá)到屈服極限即可發(fā)生。

4 微觀組織分析

為了觀察爐管材料的金相組織、晶粒特征及碳化物分布情況，分別對2 個管段取樣進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果分別如圖5 與圖6 所示。從金相圖可知：二次碳化物已經(jīng)從晶內(nèi)較多析出，呈長大塊狀，部分碳化物已經(jīng)彌散到晶粒上，原始碳化物形態(tài)已斷裂，晶粒晶界顯示不清晰；原始塊狀碳化物（M7C3）已經(jīng)由原來明顯的骨架狀態(tài)變成現(xiàn)在的分散塊狀碳化物（M23C6）。由此可以判斷，爐管組織已產(chǎn)生了較大劣化，高溫性能嚴(yán)重下降。在服役過程中受高溫影響，爐管組織發(fā)生轉(zhuǎn)化，這與力學(xué)性能測試結(jié)果一致。

圖5 1#試樣金相組織

圖6 2#試樣金相組織

5 結(jié)論

服役后的1#與2#爐管的常溫拉伸性能相較于標(biāo)準(zhǔn)值而言分別有5.9%與4.4%的下降；在900 ℃的高溫短時拉伸試驗(yàn)中，1#爐管與2#爐管相較于標(biāo)準(zhǔn)值分別有5.1%與4.1%的性能下降；在900 ℃的高溫蠕變性能測試中，1#爐管與2#爐管相較于標(biāo)準(zhǔn)值分別有78.2%與67.6%的性能下降；在斷裂韌度測試中，1#爐管與2#爐管相較于標(biāo)準(zhǔn)值分別有20.8%與18.2%的性能下降。1#與2#爐管的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)都已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的劣化，尤其是抗高溫蠕變性能與斷裂韌度下降較大，出現(xiàn)裂紋的1#爐管比2#爐管出現(xiàn)了更嚴(yán)重的性能劣化。在金相組織分析中，能夠明顯觀察到大量的二次碳化物在晶內(nèi)析出，部分已彌散到晶界上。過度區(qū)域二次碳化物粗化使得彌散程度降低，持久強(qiáng)度和硬度也降低，二次碳化物最終也向晶界擴(kuò)散，與晶界碳化物結(jié)合，形成晶界鏈狀碳化物，晶界間結(jié)合力變差，導(dǎo)致基體強(qiáng)度下降，抗高溫性能和抗蠕變性能減弱。

從各項(xiàng)性能指標(biāo)綜合判斷，爐管已到性能劣化加速期。為保證安全生產(chǎn)，需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程運(yùn)行；并加強(qiáng)對爐管的安全監(jiān)控，提前做好更換爐管的準(zhǔn)備。