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(tái)慕迪工業(yè)技術(shù)有限公司 （煙臺(tái) 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(jì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)該爐管進(jìn)行了全面評(píng)定。

圖1 爐管形貌對(duì)比

表1 試樣化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)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(jì)時(shí)的情況相符，首先對(duì)爐管試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。將2 個(gè)管段各取2 個(gè)試樣進(jìn)行化學(xué)成分光譜分析，得到2 個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)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(gè)試樣延伸率為6.7%和4.0%，平均值為5.35%；2#管段2 個(gè)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(shí)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(shí)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(gè)試樣的高溫短時(shí)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(gè)試樣的高溫短時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)拉伸的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了略微下降。

圖2 高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)

3.3 高溫持久試驗(yàn)

高溫持久性能是評(píng)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(duì)2 根爐管試件分別進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)。2 個(gè)試件在900 ℃環(huán)境中承受49 MPa 的載荷，1#爐管試樣持久時(shí)間為21 h50 min，2#爐管試樣持久時(shí)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(shí)間不低于100 h。服役后的1#爐管高溫蠕變斷裂時(shí)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(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)間的減少趨勢是一致的，說明爐管長時(shí)間的運(yùn)行已對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)2 個(gè)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?jí)K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(shí)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(duì)爐管的安全監(jiān)控，提前做好更換爐管的準(zhǔn)備。