大慶油田特種設(shè)備檢驗(yàn)中心

燒損火管微觀組織變化機(jī)理

姚建輝大慶油田特種設(shè)備檢驗(yàn)中心

某采油廠加熱爐火管使用一年后發(fā)生燒損變形，通過采用金相顯微鏡、直讀光譜分析儀、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以及掃描電子顯微鏡等設(shè)備，對(duì)火管燒損處的材料性能及其微觀組織結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：火管燒損后，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度明顯下降，屈服強(qiáng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)下限值的64%，抗拉強(qiáng)度僅為標(biāo)準(zhǔn)下限值的70%?；鸸軆?nèi)壁存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，材料在高溫下進(jìn)行了重結(jié)晶，有碳化物新相沿鐵素體晶界析出。

加熱爐火管；燒損；脫碳；化學(xué)分析；檢驗(yàn)；斷裂

火管是加熱爐核心部件，作為燃燒室，容納火焰和煙氣，由于長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，火管會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)損傷，如高溫?zé)龘p、蠕變等?；鸸軣龘p是加熱爐損壞的主要形式之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大慶油田2012年由火管燒損維修的加熱爐占全部加熱爐維修的56%。為了研究火管燒損后對(duì)材料性能的影響以及其微觀組織變化，以某采油廠加熱爐火管為研究對(duì)象，采用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、直讀光譜儀、萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，對(duì)加熱爐燒損試樣進(jìn)行分析與討論，觀察其燒損變形后組織及其材料性能的變化?；鸸懿馁|(zhì)為Q345R，壁厚13 mm。容器內(nèi)運(yùn)行介質(zhì)為含油污水，燃料為天然氣。運(yùn)行一年后，對(duì)加熱爐進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火管燒損變形。

1研究的目的與意義

加熱爐是油田最常用的設(shè)備之一。目前，大慶油田廣泛使用的加熱爐在運(yùn)行一段時(shí)間后，加熱爐火管變形、鼓包、燒穿現(xiàn)象日益增多?；鸸艿墓陌冃问羌訜釥t在使用過程中普遍存在的現(xiàn)象，為了弄清其過熱鼓包后微觀組織變化機(jī)理，為油田日常管理提供基礎(chǔ)性的技術(shù)數(shù)據(jù)，開展了燒損火管微觀組織變化機(jī)理試驗(yàn)研究。根據(jù)其鼓包變形的微觀機(jī)理，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，提高火管在日常生產(chǎn)中的使用壽命，是本項(xiàng)研究的目的。該研究成果還可以對(duì)加熱爐火管的選材提供指導(dǎo)，能直接應(yīng)用于加熱爐的制造設(shè)計(jì)，對(duì)油田的日常設(shè)備維護(hù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 宏觀檢查

火管外表面結(jié)有一層絮狀垢，靠近燃燒器的位置發(fā)生燒損變形，變形區(qū)環(huán)繞火管整圈，寬約20 cm，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)厚檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯壁厚減薄。

2.2 化學(xué)分析

在火管上取樣，用ARC-MET 930型便攜式光譜分析儀，對(duì)火管化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。檢驗(yàn)結(jié)果符合GB713—2008表1中關(guān)于Q345R化學(xué)成分的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果%

2.3 力學(xué)性能檢驗(yàn)

在火管上取拉伸試樣，用WAW-E600C型萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。取樣部位涵蓋火管燒損部位。拉伸檢測(cè)結(jié)果：屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于GB713—2008表2的要求，屈服強(qiáng)度ReL低于標(biāo)準(zhǔn)下限值122 N/mm2，抗拉強(qiáng)度Rm低于標(biāo)準(zhǔn)下限值153 N/mm2，伸長(zhǎng)率A符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

將拉伸試樣的斷面置于掃描電鏡下觀察，圖1為斷面的整體形貌；圖2為瞬時(shí)斷裂區(qū)低倍形貌；圖3為斷口的韌窩形貌；圖4為斷口的撕裂棱。

2.4 金相檢驗(yàn)

在拉伸試樣斷裂處靠近斷口部位截取試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于Axiovert 25CA型金相顯微鏡下觀察，可見火管的內(nèi)壁存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處達(dá)0.31 mm，見圖5。脫碳層總深度（包括全脫碳層和部分脫碳層）為1.4 mm，部分脫碳層的金相照片見圖6。部分脫碳層分為兩部分：一部分是鋼材進(jìn)行了重結(jié)晶，有碳化物析出；另一部分是珠光體組織部分保留，但珠光體的量少于Q345R常溫平衡態(tài)下組織的珠光體含量。圖7為侵蝕后火管外壁試樣的顯微組織形貌，試樣顯微組織為鐵素體+少量珠光體，根據(jù)GB/T6394—2002標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)級(jí)試樣鐵素體晶粒度為9級(jí)?？拷撎紝拥慕砻妫浣M織為鐵素體以及沿鐵素體晶界分布的碳化物，根據(jù)GB/T6394—2002標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)試樣鐵素體晶粒度為9級(jí)，未發(fā)現(xiàn)晶粒的聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象。

圖1 斷口整體形貌

圖2 瞬斷區(qū)低倍形貌

圖3 斷口韌窩形貌

圖4 斷口撕裂棱

圖5 全脫碳層（500×）

圖6 部分脫碳層（500×）

圖7 火管外壁組織形貌（400×）

3分析與討論

加熱爐火管燒損主要原因有兩個(gè)方面：一是火嘴原因。燃燒器的火焰組織的長(zhǎng)度較短，燃燒放熱比較集中，火焰中心溫度過高，造成火管局部熱流密度過高。二是介質(zhì)原因。加熱爐處于油田三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油技術(shù)的試驗(yàn)區(qū)塊，所處理的含油污水中含有聚合物、泥砂等雜質(zhì)，由于加熱爐有沉降分離功能，可以保證泥砂等雜質(zhì)和油水有效分離。因此加熱過程中在火管外壁面上沉積大量聚合物及泥砂等懸浮物，形成一層絮狀垢，火管向外傳熱性能變差，導(dǎo)致火管在高溫處燒損。

3.1 火管微觀組織變化

火管長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作，由內(nèi)壁到外壁，隨著工作溫度的變化，其組織依次是全脫碳層、部分脫碳層、正常的Q345R常溫平衡態(tài)金相組織。其中部分脫碳層包括兩部分：一部分是發(fā)生重結(jié)晶，沿鐵素體晶粒形成新的碳化物相；另一部分是珠光體部分保留，組織為鐵素體+珠光體。

（1）由于碳和碳化物的移除，材料中只剩鐵基體，導(dǎo)致材料強(qiáng)度的損失，即為脫碳。高溫下鐵原子和錳原子具有較高的動(dòng)能，畸變能較高的（FeMn)3C固溶體晶體會(huì)解體，使碳原子析出。受熱溫度越高、受熱時(shí)間越長(zhǎng)，碳原子析出就越明顯?；鸸軆?nèi)表面析出的碳原子在高溫作用下與氧原子結(jié)合成CO2，這樣就會(huì)在材料內(nèi)表面形成脫碳現(xiàn)象?；鸸軆?nèi)壁存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處達(dá)到0.31 mm，脫碳層總深度為1.4 mm。

（2）在靠近全脫碳層的近表面，其金相組織為鐵素體+少量沿鐵素體晶界分布的碳化物，有碳化物新相析出，說明Q345R火管在高溫運(yùn)行時(shí)發(fā)生了相變重結(jié)晶過程。由鐵碳相圖可以看出，材料在溫度低于912℃時(shí)鐵素體中鐵原子排列成體心立方晶格，溫度在912～1 394℃范圍內(nèi)，鐵原子排列成面心立方晶格。也就是鋼鐵在912℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生奧氏體相變，體心立方晶格比面心立方晶格溶質(zhì)原子數(shù)要少，因此溫度從1 100℃下降到800℃時(shí)，碳原子會(huì)從固溶體中析出形成新的滲碳體，材料長(zhǎng)時(shí)間在此溫度下工作，新的滲碳體在鐵素體晶界處聚集長(zhǎng)大就形成了新的相—碳化物。

（3）在金相顯微鏡下觀察到有碳化物新相的形成，說明材料進(jìn)行了重結(jié)晶，由此可以推斷出Q345R火管鼓包處的局部溫度超過912℃，并長(zhǎng)時(shí)間在這一溫度下工作。

（4）火管外壁的顯微組織為鐵素體+少量珠光體，為Q345R常溫平衡態(tài)下正常的組織形貌。

3.2 材料力學(xué)性能變化

材料的力學(xué)性能取決于其組織結(jié)構(gòu)，Q345R材料屬于亞共析鋼（C＜0.77%），在常溫平衡態(tài)下的組織為鐵素體和珠光體。由于火管持續(xù)在高溫下工作，燒損變形部位的局部溫度超過912℃，達(dá)到鋼鐵的奧氏體相變溫度，材料發(fā)生了重結(jié)晶，碳化物析出。形成火管內(nèi)壁靠近全脫碳層的金相顯微組織為鐵素體+沿鐵素體晶界分布的碳化物。沿晶界分布的碳化物會(huì)使晶界弱化，材料更容易開裂，碳化物在晶界處聚集的越多，對(duì)材料力學(xué)性能的影響就越大。另外，火管內(nèi)表面存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處為0.31 mm，脫碳層總深度平均為1.4 mm，脫碳會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度和硬度明顯降低。由于試樣的上述兩種微觀組織結(jié)構(gòu)變化，造成Q345R火管屈服強(qiáng)度ReL和抗拉強(qiáng)度Rm明顯下降，屈服強(qiáng)度ReL為223 N/mm2，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值低122 N/mm2，僅為標(biāo)準(zhǔn)下限值的64%；抗拉強(qiáng)度Rm為357 N/mm2，比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值低153 N/mm2，僅為標(biāo)準(zhǔn)下限值的70%。

3.3 拉伸試樣的斷口形態(tài)

火管在使用過程中未曾發(fā)生斷裂，利用拉伸試樣斷口做掃描電鏡分析。斷口塑性變形明顯，在斷裂時(shí)有明顯的頸縮現(xiàn)象。在掃描電鏡下觀察，斷面呈韌窩特征，并有少量的撕裂棱，為塑性斷裂。在金相顯微鏡下觀察，火管的內(nèi)壁脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重，且有碳化物析出，但晶粒并未明顯聚集長(zhǎng)大，鐵素體晶粒度內(nèi)外壁均為9級(jí)。脫碳也會(huì)使材料變軟，強(qiáng)度降低，在受拉應(yīng)力的狀態(tài)下材料斷裂形式為塑性斷裂。

4結(jié)論

（1）火管內(nèi)壁存在嚴(yán)重的脫碳現(xiàn)象，全脫碳層最深處達(dá)到0.31 mm，脫碳層總深度為1.4 mm；火管外壁金相組織為正常Q345R在常溫平衡態(tài)下的組織，即鐵素體+少量珠光體。

（2）材料長(zhǎng)時(shí)間在高溫下工作，出現(xiàn)重結(jié)晶現(xiàn)象，析出碳化物新相，火管內(nèi)壁近表面組織為鐵素體+沿鐵素體晶界分布的碳化物。

（3）火管抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均明顯低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，屈服強(qiáng)度ReL僅為標(biāo)準(zhǔn)下限值的64%，抗拉強(qiáng)度Rm僅為標(biāo)準(zhǔn)下限值的70%。

（4）拉伸斷口為塑性斷裂，呈現(xiàn)韌窩特征。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.011

2015-03-11