離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管組織性能及熱力耦合分析

摘 要：【目的】分析乙烯裂解爐的重要材料離心鑄造25Cr35NiNb的微觀組織的形貌和分布對其力學性能和高溫持久性的影響。【方法】通過OM、SEM和EDS分析離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管的微觀組織的形貌和分布；通過室溫拉伸試驗和高溫持久試驗，得到離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管的力學性能和高溫持久性。【結果】初生碳化物能提高裂解管的力學性能，并具有高溫持久性；Ag和Cu的污染物會降低鋼管的力學性能，在加工過程中需要避免；對裂解管的熱力耦合分析發現，內徑中間處變形最大。【結論】較好地預測了裂解管出現裂縫的位置，離心鑄造25Cr35NiNb能夠滿足裂解管工作環境的要求。

關鍵詞：離心鑄造；初生碳化鉻；高溫持久性；熱力耦合

中圖分類號：TG113 " " 文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2025）06-0079-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.06.014

Microstructure， Properties， and Thermal Thermal Coupling

Analysis of Centrifugal Casting 25Cr35NiNb Pyrolysis Furnace Tube

HU Pengxiang ZHU Shouqin JIAN Weiqiang LI "Dan JIANG Ke

（College of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to order to further understand the influence of the microstructural morphology and distribution of the key material for ethylene cracking furnace， centrifugally cast 25Cr35NiNb， on its mechanical properties and high-temperature creep resistance. [Methods] The microstructures and their distribution of the centrifugally cast 25Cr35NiNb pyrolysis furnace tubes were analyzed by means of OM， SEM and EDS; the mechanical properties and high-temperature creep resistance of the centrifugally cast 25Cr35NiNb pyrolysis furnace tubes were obtained through room temperature tensile tests and high-temperature creep tests. [Findings] The initial carbides can improve the mechanical properties of the cracking tube and have high temperature persistence; however， the impurities of Ag and Cu lower the mechanical properties of the steel tube and need to be avoided during processing; the thermal-mechanical coupling analysis of the pyrolysis tube reveals that the maximum deformation occurs at the center of the inner diameter. [Conclusions] The study accurately predicts the location where the pyrolysis tube cracks and the centrifugally cast 25Cr35NiNb can meet the requirements of the working environment of the pyrolysis tube.

Keywords： centrifugal casting; primary chromium carbide; high temperature persistence; thermo-mechanical coupling

0 引言

離心鑄造的25Cr35NiNb具有良好的抗高溫蠕變、抗高溫氧化和抗高溫滲碳性能［1-2］，由于服役環境比較惡劣［3］，對其微觀組織及性能進行分析很有必要。本研究在中國石化爐管質量檢測檢驗與評估中選取5根離心鑄造爐管，化學成分見表1。裂解爐管長期處于高溫高碳環境，開裂失效的微觀原因包括爐管內外壁的含碳量差逐漸增加，導致力學性能不一樣，產生了宏觀內應力；晶界處的析出物逐漸增多，以網狀分布于晶界處，導致強度降低。由表1可知，25Cr35NiNb含有Si、 Ti、Zr元素，其中隨著Si 元素含量的提高，乙烯裂解爐管抗氧化、抗滲碳性能增強［3］； Ti、Zr元素顯著影響該合金材料的顯微組織和高溫持久性［4］。因此，對25Cr35NiNb合金組織與性能進行分析，能夠為改善25Cr35NiNb裂解爐管壽命提供依據。

1 25Cr35NiNb合金的微觀組織

1.1 晶界處不連續析出物

25Cr35NiNb是高合金鋼，通過磨制、拋光、腐蝕得到其500倍的金相組織如圖1所示。析出物不連續分布在晶界上，尺寸很小，這種組織形態能阻礙晶粒的長大，并且能在塑性加工過程中阻礙位錯的移動，改善材料的力學性能 ［5］。在高溫下，非正常的析出物對位錯的釘扎作用減弱，只有骨狀的析出物依舊對位錯有釘扎作用，具有高溫持久性［6］。因此，通常希望該合金鋼中的析出物均為骨狀析出物。圖1（b）至（d）分別為不同位置的更高倍數的晶界析出物的金相組織，可以看出，這些析出物均呈現骨狀。

對圖1（b）所示的骨狀析出物及周邊進行面掃，結果如圖2所示。白點為目標元素的位置和數量。其中C和Cr主要分布于骨狀析出物上，如圖2（a）、2（b）所示；Ni元素主要分布于基體上，如圖2（d）所示；Nb主要分布于圖1（b）基體上方亮色的位置，如圖2（c）所示。

對骨狀析出物進行EDS分析結果，如圖3所示。骨骼狀析出物即A、B、D處為碳化鉻（Cr3C2）。兩塊亮色組織即C處為短棒狀碳化鈮（NbC），這些均為正常的初生碳化物［6］，硬度較大，不易被切割，阻礙位錯運動，使位錯產生塞積，起到彌散強化的作用。并且高溫持久性能好，對位錯起到釘扎作用不易被消除，因此，能提升乙烯裂解爐入口管的壽命，節約使用成本。

1.2 獨立于基體的顆粒

鋼管在生產過程中由于受到污染，通過SEM觀察可知，在鋼管外表面出現了獨立于基體的組織，如圖4（a）、4（b）所示。甚至在此組織邊界處出現了微裂紋，使鋼管的力學性能降低［7］。

經掃描發現，此組織主要成分為銅元素，是在成型過程中銅管接頭造成的。因此，應避免加工過程中與銅元素接觸，造成污染，降低乙烯管力學性能。

2 離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管性能分析

對離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管（遠離接頭位置取樣）進行拉伸試驗及高溫持久試驗見表2、表3。其中6、7號是靜態鑄造25Cr35NiNb合金。由表2可知，通過離心鑄造的25Cr35NiNb的力學性能及高溫持久性能均強于靜態鑄造。另外，25Cr35NiNb裂解爐管Rp0.2為260 MPa以上，Rm為510 MPa以上，在指定條件下高溫持久時間均達到了實際情況下對裂解爐管的要求。

3 離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管受力分析

裂解爐管一般用于輸送乙烯等高溫氣體，會受到氣體的熱壓力作用，根據其工作環境，得到高溫下（高于1 000 ℃）瞬態熱通量和等效應力如圖5所示。 由圖5（a）可知，鋼管內壁的瞬態熱通量最大，并且隨著壁厚的增加，瞬態熱通量逐漸減小。由圖5（b）可知，中間位置和管徑突變的地方所受應力和應變最大。因此，在使用過程中要注意內壁的受熱

情況和外壁中間處及管徑突變處的受力情況，避免因熱量過大或壓力過大產生乙烯管不同位置的破壞，增加使用過程中的危險性。

隨著時間的推移，鋼管在熱壓力作用下，管壁不同厚度處會產生不同程度的變形，熱力耦合得到鋼管不同位置的總變形如圖6所示。由圖6可知，鋼管內壁中間位置的總變形量最大，由內壁往外壁逐漸減小。因此，裂解管在輸送氣體過程中，最容易出現裂紋的地方為內壁的中間位置，檢測時更應注重此位置。

4 結語

通過分析離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管，發現晶界處有不連續的析出物，組織為正常初生的骨狀碳化鉻（Cr3C2）和短棒狀碳化鈮（NbC）。這種組織常溫下會增加爐管的力學性能，并且在高溫下仍然能釘扎位錯，具有高溫持久性。而在鋼管外表面分布少量的獨立于基體的顆粒，降低該合金鋼的力學性能。通過試驗證明離心鑄造的25Cr35NiNb裂解爐管比靜態鑄造的力學性能和高溫持久性更好。通過Ansys模擬分析離心鑄造25Cr35NiNb裂解爐管輸送氣體的過程，發現鋼管內壁中心位置變形量最大，最容易產生微裂紋。

參考文獻：

［1］連曉明，陳學東，呂運容，等.高溫時效對25Cr35Ni-Nb合金碳化物的影響［J］.壓力容器，2011，28（8）：1-5，10.

［2］VOICU R，ANDRIEU E，POQUILLON D，et al.Microstructure evolution of HP40-Nb alloys during aging under air at 1000 ℃［J］.Materials Characterization，2009，60（9）：1020-1027.

［3］錢兵，孫嘉繁，謝菲，等.Si對離心鑄造25Cr35NiNb+微合金乙烯裂解爐管抗氧化和抗滲碳性能的影響［J］.壓力容器，2018，35（5）：28-34.

［4］孫嘉繁，劉春嬌，連曉明，等.Ti和Zr元素對離心鑄造25Cr35NiNb鋼爐管組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2023，52（5）：61-65.

［5］黃宗吉.位錯組態演化與晶體結構轉變的晶體相場研究［D］.南寧：廣西大學，2022.

［6］陳濤，陳學東，劉春嬌，等.裂解爐管初生碳化物分類及對高溫持久性能影響［J］.機械工程學報，2018，54（8）：109-116.

［7］ 胡賡祥，蔡珣，戎詠華.材料科學基礎［M］.上海：上海交通大學出版社，2019.