解英南，王晉，王欽明，遲國(guó)政

（中國(guó)石油遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003）

1 檢驗(yàn)與分析

1.1 爐管宏觀、低倍分析

爐管水平安裝在爐內(nèi)，迎向高溫?zé)煔鈧?cè)為向火面，其顏色為棕紅色，背向煙氣側(cè)為背火面，其顏色為深棕紅色。裂紋均在爐管的向火面，肉眼可見三條明顯的裂紋，依次標(biāo)記為裂紋1、2、3，見圖1。

圖1 爐管開裂宏觀示意圖

將裂紋1、2、3 切割，得到爐管斷口1、2、3。爐管斷口處沒有明顯地塑性變形，裂紋起源于爐管內(nèi)壁，沿管壁向外擴(kuò)展。因高溫蒸汽的作用，斷口表面呈藍(lán)黑色，表明斷口發(fā)生了一定程度的高溫氧化。在爐管斷口上的裂紋擴(kuò)展區(qū)，可見“海灘線”的痕跡，斷口具有疲勞斷裂的典型特征。

1.2 爐管材質(zhì)分析

對(duì)爐管材質(zhì)使用光譜儀進(jìn)行分析，結(jié)果表明，爐管材質(zhì)基本符合TP321H 不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，僅Cr%含量稍低，見表1。

1.3 爐管金相分析

在爐管的裂紋2 處切取金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下觀察分析。在爐管的裂紋2 處，爐管內(nèi)壁（向火面）發(fā)生了嚴(yán)重的晶間腐蝕，部分晶粒脫落產(chǎn)生了腐蝕坑，裂紋產(chǎn)生在這些地方，并由此向管壁內(nèi)擴(kuò)展；裂紋擴(kuò)展起始階段以沿晶擴(kuò)展為主，裂紋深入后，裂紋擴(kuò)展方式為沿晶+穿晶，裂紋尖端較圓鈍，具有疲勞斷裂的特征；該部位爐管內(nèi)壁晶間腐蝕程度為3 類（溝狀組織）；管壁金相組織為奧氏體。在爐管管壁中部（向火面），晶間腐蝕程度為2 類（混合組織）；管壁金相組織為奧氏體，見圖2。

圖2 爐管內(nèi)壁金相圖（100μm）

對(duì)爐管金相分析，認(rèn)為爐管的疲勞開裂，與爐管內(nèi)壁（向火面）產(chǎn)生嚴(yán)重的晶間腐蝕有著一定的關(guān)系。爐管內(nèi)壁（向火面）晶間腐蝕的發(fā)生，造成該部位強(qiáng)度降低和應(yīng)力集中，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。

1.4 爐管斷口電鏡分析

使用掃描電鏡，對(duì)爐管斷口2 進(jìn)行形貌觀察和元素成分能譜分析。在爐管斷口2 的裂紋源區(qū)，有多個(gè)裂紋源，彼此之間形成臺(tái)階；斷口表面被氧化腐蝕產(chǎn)物覆蓋，難以看到斷口的精細(xì)形貌；能譜分析表明，斷口2 表面主要元素是Fe 和O，還有少量的C、S、Ca、Cr、Ni 等，見圖3。

圖3 爐管斷口裂紋源區(qū)的SEM+EDS

在爐管斷口2 的裂紋擴(kuò)展區(qū)，斷口表面同樣被氧化腐蝕產(chǎn)物覆蓋，難以看到斷口的精細(xì)形貌；能譜分析表明，斷口2 表面主要元素是Fe 和O，還有少量的C、Cr、Ni 等。斷口2 上的Fe、Cr、Ni 是爐管母材中的構(gòu)成元素；而C、S、Ca、O 等應(yīng)該是爐管內(nèi)介質(zhì)中的，其中O、S 會(huì)對(duì)爐管產(chǎn)生腐蝕作用。

表1 爐管材質(zhì)化學(xué)成分（w/%）

1.5 分析與討論

綜上，爐管開裂失效是晶間應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞共同作用的結(jié)果。而晶間（應(yīng)力）腐蝕和腐蝕疲勞的發(fā)生與爐管材質(zhì)、服役環(huán)境、應(yīng)力狀態(tài)等因素有著密切的關(guān)系。

TP321H 不銹鋼長(zhǎng)期在高溫環(huán)境中使用，如果不銹鋼中C、Cr、Ni、Ti 的成分比例調(diào)整未達(dá)到最優(yōu)化（即C ≤0.03%、Cr17.10 ～17.50），就會(huì)發(fā)生一定程度的敏化。對(duì)爐管材質(zhì)的化學(xué)分析，確認(rèn)爐管中C 含量為0.043%，Cr含量為16.90%，C 高就易于鉻碳化物的析出。爐管的金相檢驗(yàn)確認(rèn)，爐管組織發(fā)生了一定程度的晶間腐蝕，尤其在爐管內(nèi)壁（向火面）已經(jīng)達(dá)到3 類晶間腐蝕（溝狀組織）。晶間腐蝕的產(chǎn)生，既降低了爐管的耐蝕性，又造成了爐管局部的應(yīng)力集中，為腐蝕疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展起到了一定的促進(jìn)作用。

對(duì)流段爐管水平安裝在裂解爐內(nèi)，爐管內(nèi)介質(zhì)為水蒸汽。正常情況下，干凈的水蒸汽對(duì)爐管腐蝕甚微。但如果因某種情況，有含有一定腐蝕性介質(zhì)（O、S、Cl）的水存積在爐管內(nèi)，就會(huì)對(duì)已經(jīng)敏化的爐管產(chǎn)生晶間（應(yīng)力）腐蝕。在爐管斷口2 裂紋源區(qū)檢測(cè)到的O、S 元素，說明這些腐蝕性元素存在于爐管內(nèi)的水蒸汽中；含有O、S 元素的水，在一定條件下會(huì)對(duì)敏化的奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕。

由于裂解爐每運(yùn)行一段時(shí)間，就需要工藝燒焦，頻繁的升降溫操作，以及因事故而造成的緊急停車，都會(huì)造成溫度的急劇變化，產(chǎn)生很大的交變熱應(yīng)力。在爐管內(nèi)壁（向火面）發(fā)生的晶間（應(yīng)力）腐蝕，導(dǎo)致爐管內(nèi)壁這些部位強(qiáng)度降低、應(yīng)力集中，當(dāng)有交變應(yīng)力（熱應(yīng)力）的作用時(shí)，疲勞裂紋就集中地萌生于此。疲勞裂紋一旦產(chǎn)生，就會(huì)不斷地?cái)U(kuò)展，直至造成爐管的開裂。因此，裂解爐對(duì)流段爐管開裂應(yīng)該是晶間（應(yīng)力）腐蝕和腐蝕（熱）疲勞共同作用的結(jié)果，其中，腐蝕（熱）疲勞起著主要作用。

2 結(jié)語

爐管材質(zhì)成分基本符合TP321H 不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，只是Cr 的含量稍低。

爐管金相組織為單一奧氏體，有一定程度的晶間腐蝕；在爐管（向火面）開裂部位的內(nèi)壁尤為嚴(yán)重，達(dá)到3 類晶間腐蝕（溝狀組織）。

裂解爐對(duì)流段的爐管開裂是從爐管內(nèi)壁（向火面）起始，屬于晶間（應(yīng)力）腐蝕和腐蝕（熱）疲勞所引起；裂紋起始階段，晶間（應(yīng)力）腐蝕占主導(dǎo)地位，其后，裂紋以腐蝕（熱）疲勞形式擴(kuò)展，直至爐管開裂。

爐管材質(zhì)為18-8 型奧氏體不銹鋼，在敏化溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行，發(fā)生了一定程度的晶間腐蝕；晶間腐蝕的發(fā)生既降低了爐管耐蝕性和強(qiáng)度，又造成了爐管發(fā)生晶間腐蝕部位的應(yīng)力集中；同時(shí)，爐管在運(yùn)行過程中，存在著爐管負(fù)荷、溫度波動(dòng)等引發(fā)的交變應(yīng)力，使得爐管具備產(chǎn)生晶間應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞破壞的條件。