常壓爐爐管抱卡斷裂原因分析

孫全勝

(中國(guó)石化股份有限公司天津分公司裝備研究院，天津 300270)

一、前言

某常減壓裝置常壓爐爐膛溫度＞700℃，2012年3月發(fā)現(xiàn)常壓爐部分爐管抱卡斷裂脫落。2012年9月大修時(shí)將其從加熱爐中取出，發(fā)現(xiàn)斷裂處均為抱卡懸臂根部，抱卡斷口已銹蝕。爐管拉鉤及抱卡斷裂位置如圖1所示。爐管采用吊裝，底部可自由伸縮，爐管規(guī)格為152mm×8mm，材質(zhì)為Cr9Mo，高度約15m，抱卡位置在約6m高處。抱卡斷裂數(shù)量9個(gè)，其中6個(gè)位于10#燃燒嘴上方，燃料為液化氣脫硫醇尾氣。

二、斷口檢測(cè)與分析

(1)宏觀分析。

圖1 爐管拉鉤及抱卡斷裂位置

斷口上有明顯的鑄造缺陷，斷口表面粗糙不平，無(wú)明顯的塑性變形，屬脆性斷裂。

將斷口氧化層打磨后，可以看到抱卡斷口表面有多處裂紋，這是斷裂的重要原因。

9個(gè)斷口中有6個(gè)均對(duì)著10#燃燒嘴，其所燃液化氣脫硫醇尾氣的主要成分是H、空氣、硫化物。抱卡材質(zhì)為ZGCr25Ni12，由于鐵的氧化物和硫化物具有較低共熔點(diǎn)，熔融后的混合物能滲入晶粒間造成金屬的腐蝕，因此會(huì)增加氧化速度。同樣，鎳和以鎳為主的合金與含硫的高溫?zé)煔夥磻?yīng)，能夠生成Ni-Ni3S2的低熔混合物，這種混合物在625℃左右就會(huì)熔融，并從晶粒邊緣對(duì)金屬進(jìn)行腐蝕破壞。

(2)常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》 制備合金鑄鋼Cr25Ni12的拉伸試樣。試樣直徑為5mm(圖2)，試樣斷口為L(zhǎng)1和L2(圖3)，拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖2 拉伸試樣

圖3 拉伸試樣斷口

由圖3可見，2個(gè)試樣均存在嚴(yán)重的鑄造缺陷。

表1 鑄鋼Cr25Ni12試樣拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)(20℃)

鑄鋼Cr25Ni12試樣的抗拉強(qiáng)度最低值為269.5MPa。表中同時(shí)給出了GB/T8492—2002一般用途耐熱鋼和合金鑄件ZG40Cr25Ni12Si2的參考值，抱卡材料的抗拉強(qiáng)度大大低于參考值。

(3)化學(xué)成分檢測(cè)。

從抱卡斷口附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))列于表2。表中同時(shí)列出GB/T8492—2002一般用途耐熱鋼和合金鑄件ZG40Cr25Ni12Si2的參考成分。分析結(jié)果表明，合金元素的含量與參考成分相近，只有C的含量偏低，而拉伸試樣L1的斷口局部C含量達(dá)到6.12%(表4)。說(shuō)明存在嚴(yán)重的成分偏析。

表2 Cr25Ni12鋼化學(xué)分析報(bào)告

(4)微觀斷口檢測(cè)分析。

①原始斷口微觀檢測(cè)分析

對(duì)原始斷口表面進(jìn)行了SEM形貌觀察和EDS能譜分析。由于斷口表面已發(fā)生嚴(yán)重氧化，因此SEM形貌看不到細(xì)部斷裂特征。圖4和表3為原始斷口EDS能譜分析結(jié)果，O的含量高達(dá)到了17.51%，表明斷口氧化嚴(yán)重。同時(shí)S的含量也達(dá)到了2.26%，說(shuō)明煙氣含硫較高，使斷口表面產(chǎn)生硫化物。

圖4 原始斷口EDS能譜分析

表3 原始斷口表面化學(xué)成分 %

②拉斷試樣斷口微觀檢測(cè)分析

對(duì)拉伸試樣L1的三個(gè)位置(圖5)進(jìn)行SEM形貌觀察和EDS能譜分析。

圖5 拉伸試樣斷口L1取樣觀察位置

圖6為L(zhǎng)1斷口的整體SEM形貌，斷口上存在明顯的宏觀缺陷，缺陷位置呈黑色孔洞。1位置處已產(chǎn)生嚴(yán)重氧化層，并且斷口表面有垂直方向的微裂紋；2位置斷口呈河流狀花紋，穿晶解理斷裂；3位置斷口平坦，為穿晶解理斷裂。

圖6 L1整體斷口SEM形貌58x

圖7和表4為1位置的EDS能譜分析結(jié)果，此處的O和C含量很高，分別達(dá)到9.16%和6.12%，表明黑色應(yīng)為析出的石墨并且有氧化物存在。同時(shí)S的含量也達(dá)到了1.40%，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了硫化，導(dǎo)致拉伸試樣強(qiáng)度偏低。

圖8和表5為3位置的EDS能譜分析結(jié)果，Cr含量偏高，Ni含量偏低，說(shuō)明鑄造時(shí)存在化學(xué)成分偏析現(xiàn)象。

同樣對(duì)拉伸試樣L2進(jìn)行SEM形貌觀察和EDS能譜分析，L2斷口SEM形貌與L2相同為穿晶解理斷裂，且存在大面積的疏松組織，這正是該試樣拉伸強(qiáng)度低的原因。EDS能譜分析結(jié)果，同樣Cr含量偏高，Ni含量偏低，說(shuō)明鑄造時(shí)存在化學(xué)成分偏析現(xiàn)象。

三、結(jié)論

(1)材料有嚴(yán)重的鑄造缺陷(孔洞、氣孔、夾雜及裂紋)和嚴(yán)重的成分偏析等，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較低，耐腐蝕性能差。

圖7 L1-1的EDS能譜分析

表4 L1-1斷口表面化學(xué)成分

圖8 L1-3的EDS能譜分析

表5 L1-3斷口表面化學(xué)成分 %

(2)失效抱卡位于燃燒液化氣脫硫醇尾氣燒嘴上方，其含硫量較高，鐵的氧化物和硫化物具有比較低的共熔點(diǎn)，同樣，鎳和以鎳為主的合金與含硫的高溫?zé)煔夥磻?yīng)，能夠生成Ni-Ni3S2的低熔混合物。熔融后的混合物能滲入晶粒間造成金屬的腐蝕，產(chǎn)生從邊緣向內(nèi)擴(kuò)展的裂紋。并在高溫、振動(dòng)的條件下導(dǎo)致抱卡應(yīng)力腐蝕斷裂。

四、對(duì)策

針對(duì)本次爐管抱卡斷裂問題提出如下建議。

(1)不要使用未經(jīng)脫硫的燃料氣。

(2)爐管抱卡斷裂與其材質(zhì)存在鑄造缺陷密切相關(guān)，因此需嚴(yán)格檢驗(yàn)。