加熱爐爐管材質損傷機理及其金相檢測

王艷偉

摘 要：針對加熱爐管材損傷機理及其金相檢測，結合理論實踐，淺要分析了加熱爐爐管材質損傷機理發生的條件和危害，并分析了金相檢測技術在爐管材質損傷機理檢測方面的具體應用。

關鍵詞：加熱爐；爐管材質；損傷機理；金相檢測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.017

0 引言

鍋爐管道在運行中需要承受高溫、高壓的工況，隨著時間的推移，爐管材質損壞的概率也會大大增加，從而增加了企業運行成本，爐管作為加熱爐的主要組成部分，在實際運行過程中，往往會受到很多因素的影響，從而導致爐管發生一定程度的損壞，比如：蠕變和滲碳等，對加熱爐的安全使用構成一定威脅，在這樣的基礎上，開展加熱爐爐管材質損傷機理及其金相檢測的研究就顯得尤為重要。

1 爐管材質損傷機理

1.1 珠光體球化

碳鋼和低合金Cr-Mo鋼的金相組織主要為珠光體和鐵素體，當承受溫度達到440℃以上時，金相組織會發生細微的變化，比如：碳鋼中的碳化物會片狀逐漸聚集，轉變為球狀。而對低合金Cr-Mo鋼中的比較細小的碳化物轉變塊狀碳化物，也就是所謂的珠光體球化。珠光體球化的過程，也就是碳化物逐步擴散的過程，從而降低爐管的硬度和強度，通過實驗研究表明，當碳鋼、低合金Cr-Mo鋼發生珠光體球化后，爐管的全壽命使用周期會降低25%～35%，由于珠光體球化發生晶粒層，只能通過現場金相和割管取樣金相來進行分析，發生球化反應的爐管主要表現為抗拉強度和硬度降低。

1.2 σ相脆化

奧氏體不銹鋼爐管如果長期在375℃～785℃中使用，就會形成類似相應的Fe-Cr金屬化合物，在合金相圖中稱之為σ相，具有硬度高而且脆的特性。奧氏體是碳在γ-Fe中的間隙固溶體，其面心為立體晶格，當析出Fe-Cr金屬化合物后，會導致奧氏體不銹鋼的韌性喪失，在實際應用過程中，σ相的析出和鐵素體的含量有很大關系，所以要想防止σ相的析出，就必須嚴格控制鐵素體的含量。由于奧氏體不銹鋼材質的特性，決定了鍛件、焊縫等環節都可能發生σ相析出。通過大量實踐表明，σ相析出屬于一種金相組織層面的改變，在研究和分析可以通過相應的金相檢驗對鐵素體含量變化的跟蹤控制，也可以通過沖擊試驗來判斷σ相析出[1]。

1.3 滲碳損傷

加熱爐爐管金屬材料中含有大量的碳元素，在高溫環境下，金屬會和含碳材料發生反應，就會爐管內壁上形成“滲碳層”增加金屬材料的脆性，降低金屬蠕變強度，如果沒有及時解決，甚至會發生嚴重的脫碳現象，導致爐管發生脆斷。但形成滲碳層需要三大要素，第一，具備碳環境；第二，材料必須為敏感材料；第三，持續高溫。但加熱爐在具體使用過程中，會發生結焦現象，提升爐管的溫度，所以為確保爐管的完全性和使用效率，必須及時清理管壁上結焦，獲得研究開發相應抗結焦爐管材料，才能避免滲碳對爐管造成的損傷。

2 金相檢測技術在加熱爐爐管材質損傷機理檢測中的應用

2.1 Cr-Mo鋼爐管珠光體球化

2016年4月，某工業企業發生加熱爐爐管斷裂現象，造成14人受傷，直接經濟損失600余萬元。事后相關部門接入調查，對爐管進行現金相檢測，其爐管的主要材料為14CrMo，金相檢測結果顯示，爐管發生嚴重的珠光體球化現象，具體情況如圖1所示：

從圖1中可以清楚看出，Cr-Mo鋼爐管珠光體比較完整，少部分碳化物呈現粒狀，晶界碳化物的數量比較多[2]。

2.2 奧氏體不銹鋼爐管晶間腐蝕

2016年5月江蘇某煉油廠，對一臺連續重整4次的加熱爐極爐管進行現場金相檢測，此爐管的材料為TP347，通過檢測發現在爐管焊縫靠近木材的區域中發生了明顯晶間腐蝕，具體情況如圖2所示：

2.3 爐管滲碳

爐管滲碳加熱爐爐管發生損失最常見的問題之一，在2015年11月對遼寧省營口市某工業企業裂解爐爐管進行割樣金相檢測，爐管的主要材料為HK40，通過詳細檢測分析，發現在爐管內壁出現落實了嚴重滲透損傷。由于HK40鋼屬于一種離心鑄造的耐熱鑄鋼，沒有使用過的HK40鋼的組織結構奧氏體基礎和共晶碳化物組合而成，當運行超過2年以后，共晶碳化物形態就會轉變為網鏈狀或者塊體狀，晶粒直徑也會逐漸增加。相關實驗表明，滲碳化合物的類型會隨著含碳量的增加而發生轉變，促使爐管的體積發生膨脹，隨著碳元素逐漸滲出，爐管的密度減小，如果不能及時解決，甚至會導致爐管發生開裂，從而縮短爐管的使用壽命，當滲碳層的含碳量或者厚度達到一定程度以后，還會降低爐管的可焊性，進一步增加焊接的難度。

3 結束語

綜上所述，加熱爐爐管材質損傷機理有：珠光體球化、σ相脆化、滲碳等，都可以通過金相檢測的方式發現，并可以提供有效的恢復措施，在具體檢測過程中，硬度檢測和其他無損檢測方法可以見輔助檢測爐管常見的材質損傷。

參考文獻：

[1]孔維軍.加熱爐爐管節能改造和防護技術探討[J].中外能源，2013（06）：89-92.

[2]姜國平，湯占岐.煤焦化管式加熱爐爐管設計及參數選取的探討[J].煤炭技術，2014（02）：225-226.