蔡曉輝， 劉 峰

（1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司，遼寧撫順113006；2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

某石化企業(yè)的一臺(tái)鍋爐使用近三年后，近期發(fā)生高溫爐管開(kāi)裂事故，造成工作氣體泄漏，影響企業(yè)安全生產(chǎn)，并造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。為了查明開(kāi)裂原因，進(jìn)而采取改進(jìn)措施，保證鍋爐的正常運(yùn)行，因而對(duì)開(kāi)裂爐管進(jìn)行了失效分析，以期了解鍋爐運(yùn)行期間工作介質(zhì)、熱循環(huán)過(guò)程、熱應(yīng)力分布等對(duì)開(kāi)裂過(guò)程的影響。

1 爐管工作條件

該高溫鍋爐爐管工作溫度為620℃，管內(nèi)主要為氣體介質(zhì)，成分以氮?dú)錇橹?，其中氫氣所占比例?5%～20%。由于在高溫臨氫條件下使用，爐管選用的材質(zhì)為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，管徑為219 mm，壁厚12mm。這是一種應(yīng)用廣泛的不銹鋼，常用于化工設(shè)備，食品生產(chǎn)設(shè)備，核能設(shè)備等，具有優(yōu)良的綜合性能，使用溫度范圍－196～800℃，并且具有較好的抗氫腐蝕性能，因此在本鍋爐中使用是合理的［1－2］。根據(jù)對(duì)鍋爐運(yùn)行的了解和對(duì)開(kāi)裂爐管的初步觀察，開(kāi)裂發(fā)生在爐管彎頭內(nèi)部，為穿透裂紋。

2 微觀組織分析

2.1 金相分析

采用電火花線切割機(jī)在裂紋尖端附近區(qū)域切取尺寸為20mm×10mm×10mm的試樣，使裂紋尖端處于試樣中部，沿與原裂紋面垂直的縱向剖面試樣，并用常規(guī)方法制取金相試樣。用Leica金相顯微鏡對(duì)晶粒形態(tài)，析出相和裂紋擴(kuò)張路徑進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果如圖1所示，在金相試樣中沒(méi)有觀察到明顯的晶粒粗化和晶間沉淀相析出，說(shuō)明爐管的使用溫度和使用環(huán)境并沒(méi)有超出材料的允許范圍。在所觀察的區(qū)域裂紋主要以沿晶方式擴(kuò)展，而且在主裂紋附近還有一些微裂紋萌生，如圖1所示。由于高溫爐管在正常運(yùn)行時(shí)的工作溫度約為620℃，同時(shí)其工作介質(zhì)中含有一定比例的氫氣，因此存在高溫氫腐蝕的可能性。其他還能導(dǎo)致裂紋沿晶擴(kuò)展的因素有高溫蠕變，疲勞蠕變交互作用，晶間腐蝕等，但還需要結(jié)合掃描電子顯微鏡等的觀察結(jié)果綜合分析才能得出爐管開(kāi)裂的主要原因。

Fig.1 Intergranular propagation of the crack圖1 以沿晶方式擴(kuò)展的裂紋

2.2 掃描電子顯微鏡觀察

采用Quenta600型掃描電鏡對(duì)穿透裂紋的上下斷口表面以及與裂紋面垂直的縱向剖面進(jìn)行觀察，以確定裂紋的萌生與擴(kuò)展模式，分析開(kāi)裂過(guò)程中疲勞、蠕變和熱損傷分別所起的作用。圖2（a）為裂紋源區(qū)的表面形貌，從這一區(qū)域的形貌特征來(lái)看，裂紋表現(xiàn)為穿晶或穿晶沿晶混合萌生。圖2（b）為裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌，斷口表面被氧化膜覆蓋，但是仍可看出其沿晶擴(kuò)展模式。裂紋的萌生區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的表面有一定程度的氧化，說(shuō)明裂紋形成后鍋爐又運(yùn)行了相當(dāng)?shù)臅r(shí)間，即裂紋的形成經(jīng)歷了萌生和擴(kuò)展的過(guò)程，而不是瞬時(shí)的開(kāi)裂。圖2（c）為靠近裂紋尖端附近區(qū)域的表面形貌，由于該區(qū)域是最新形成的裂紋表面，氧化不明顯，可以清晰地觀察到其斷裂特征?？梢钥吹綌嗫诒砻娣植贾鼐В覕嗫谏系木Ы绫砻孑^為光滑，沒(méi)有撕裂嶺或韌窩等形態(tài)，只有少量尺寸極小的凹坑，是典型的蠕變或疲勞－蠕變交互作用斷口。同時(shí)，在主裂紋附近發(fā)現(xiàn)了一些與主裂紋方向大致相同的晶界微裂紋，表明在裂紋擴(kuò)展的這一階段（高K區(qū)），微裂紋是在材料內(nèi)部的晶界處萌生的，主裂紋的擴(kuò)展只是將這些微裂紋串聯(lián)起來(lái)的過(guò)程。這些開(kāi)裂特征與蠕變或疲勞蠕變交互作用損傷機(jī)制基本相符［3－5］。

Fig.2 The crack surface morphology of furnace tube圖2 爐管裂紋形貌

3 力學(xué)性能測(cè)試

3.1 顯微硬度

開(kāi)裂爐管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)管壁進(jìn)行顯微硬度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。開(kāi)裂爐管的維氏硬度略高于固溶處理后的上限值200HV，這可能是熱應(yīng)變引起的加工硬化造成的。爐管在高溫下，發(fā)生膨脹，引起形變，當(dāng)發(fā)生塑性變形時(shí)，由于晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯(cuò)的纏結(jié)，使晶粒拉長(zhǎng)、破碎和纖維化，這時(shí)金屬的強(qiáng)度和硬度升高，同時(shí)塑性和韌性降低。管壁內(nèi)側(cè)硬度值稍低于管壁外側(cè)，這可能也是與含碳量的變化有一定關(guān)系，但總體來(lái)說(shuō)差別不大。鍋爐長(zhǎng)期在高溫氫介質(zhì)中運(yùn)行，其內(nèi)表面發(fā)生脫碳引起硬度值降低是可能的。

表1 開(kāi)裂爐管材質(zhì)的顯微硬度（HV）Table 1 The micro hardness test results of cracked boiler tube（HV）

3.2 沖擊性能

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼有較好的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)它沒(méi)有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此沖擊韌性良好，通常情況下不必進(jìn)行沖擊性能測(cè)試。但是在本次分析過(guò)程中，爐管材料的沖擊韌性有可能因高溫氫腐蝕而下降，因此對(duì)爐管裂紋附近材料進(jìn)行了沖擊性能測(cè)試。

用電火花線切割機(jī)從爐管開(kāi)裂區(qū)域附近切取沖擊試樣，試樣按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 229－2007《金屬材料 夏比擺鍾沖擊試驗(yàn)方法》加工，試樣尺寸選定為55mm×10mm×7.5mm，缺口深度為2mm。沖擊試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如表2所示，沖擊功都在190J以上，表明爐管材料的沖擊韌性并未出現(xiàn)明顯下降。

表2 開(kāi)裂爐管材質(zhì)的室溫沖擊韌性Table 2 Room temperature impact toughness of the cracked boiler tube

3.3 拉伸性能

在開(kāi)裂爐管上切取拉伸試樣，按國(guó)標(biāo)GB／T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》和GB／T 4338－2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》，分別在常溫和600℃環(huán)境下進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。如表3所示，室溫下材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與固溶處理后相比都有一定的升高，延伸率和斷面收縮率固溶處理相比則略有下降，這可能是由于爐管材料在使用過(guò)程中經(jīng)歷了較大的塑性變形而導(dǎo)致加工硬化所至。在600℃條件下材料的表現(xiàn)與室溫下的情況類似，也表現(xiàn)為強(qiáng)度提高而延伸率下降?？傊?，開(kāi)裂爐管材質(zhì)的拉伸性能并沒(méi)有明顯的下降，其反映出的特征主要是加工硬化后強(qiáng)度的提高和塑性的少量下降，沒(méi)有發(fā)生氫腐蝕的明顯跡象。

表3 開(kāi)裂爐管材質(zhì)的室溫和600℃拉伸性能Table 3 Tensile property of the cracked boiler tube at room temperature and 600℃

4 失效原因分析

如前所述，本次高溫爐管開(kāi)裂具有典型的沿晶開(kāi)裂特征，目前所知的能夠?qū)е聤W氏體不銹鋼沿晶開(kāi)裂的可能原因有高溫蠕變、疲勞－蠕變交互作用、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、高溫氫腐蝕以及過(guò)熱造成的晶界強(qiáng)度下降等。由于本次開(kāi)裂的爐管在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有接觸相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)，因此可以排除晶間腐蝕的可能性。從鍋爐的運(yùn)行溫度和爐管中的氣體介質(zhì)成份來(lái)看，開(kāi)裂爐管是運(yùn)行在600℃以上的含氫介質(zhì)中，有發(fā)生高溫氫腐蝕的可能。但同時(shí)，奧氏體不銹鋼耐氫腐蝕性能較好，實(shí)際運(yùn)行中混合氣體壓力為0.17MPa，遠(yuǎn)低于通常發(fā)生氫腐蝕的氫氣壓力。另外從斷口的形貌來(lái)看，典型的氫致斷裂斷口通常在低K值區(qū)表現(xiàn)為沿晶開(kāi)裂，在高K值區(qū)則表現(xiàn)為穿晶開(kāi)裂。但是實(shí)際的觀察結(jié)果則正好與此相反，低K值區(qū)表現(xiàn)為混合模式，高K值區(qū)則表現(xiàn)為典型的沿晶開(kāi)裂［6］。由此可以推論，雖然氫氣的存在可能對(duì)裂紋萌生和擴(kuò)展有一定加速作用，但并不是導(dǎo)致?tīng)t管開(kāi)裂的主要原因。

考慮到該鍋爐的運(yùn)行特點(diǎn)，每2～3d就需要經(jīng)歷一次啟動(dòng)和停車(chē)的過(guò)程。在升溫和降溫過(guò)程中爐管承受交變熱應(yīng)力，造成疲勞損傷；而在鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行期間則承受恒應(yīng)力，導(dǎo)致蠕變損傷。總體而言，鍋爐爐管在運(yùn)行過(guò)程中受到的是疲勞－蠕變交互作用，這是高溫構(gòu)件承受的一種比較常見(jiàn)的損傷形式。從失效管材斷口的高倍照片（圖2（d））中也可看出，沿晶開(kāi)裂后的裂紋表面部分區(qū)域存在蠕變空洞，具有明顯的疲勞蠕變斷裂特征。關(guān)于奧氏體不銹鋼的疲勞－蠕變交互作用性能?chē)?guó)內(nèi)外都有大量的研究報(bào)道［4，5，7，8］，研究表明，600℃下當(dāng)拉保持時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)（蠕變作用更明顯），在較大應(yīng)變量下，材料最快在幾十個(gè)加載循環(huán)之后就會(huì)失效，而在中等應(yīng)變時(shí)疲勞壽命也只有數(shù)百個(gè)周期。在鍋爐升降溫和穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中，熱應(yīng)力變化較大，爐管彎頭承受高溫疲勞－蠕變交互作用，導(dǎo)致在應(yīng)力集中程度最高的局部首先開(kāi)裂。這樣的受力條件對(duì)材料來(lái)講是十分苛刻的，要求材料有較好的力學(xué)性能，并且結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量減少或避免缺陷的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

爐管材料微觀組織的變化不明顯，晶間沒(méi)有明顯的析出相，爐管材料的化學(xué)成份也沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明開(kāi)裂的主要原因不是過(guò)熱和氫腐蝕。裂紋穿晶萌生，沿晶擴(kuò)展，是典型的疲勞－蠕變交互作用下的斷裂模式；氫對(duì)裂紋的萌生與擴(kuò)展可能有一定促進(jìn)作用，但并不是導(dǎo)致?tīng)t管開(kāi)裂的主要原因。爐管材料的硬度、沖擊韌性和拉伸性能都沒(méi)有明顯下降，損傷形式主要表現(xiàn)為熱應(yīng)力和熱變形引起的高溫疲勞－蠕變交互作用損傷，這也是導(dǎo)致?tīng)t管開(kāi)裂的主要原因。

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