再生加熱器不銹鋼筒體開裂原因分析

呼立紅，馬 光，王新凱，鄭麗群

(沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180)

再生電加熱器為重整裝置再生單元還原氫系統(tǒng)氫氣加熱熱源，其作用主要是將氧化態(tài)的重整催化劑還原到還原態(tài)。某煉油廠再生電加熱器筒體材質(zhì)0Cr18Ni10Ti，原始壁厚10 mm。筒體長度3 500 mm，直徑450 mm，設(shè)計壓力1.35 MPa，設(shè)計溫度565 ℃，實際操作溫度490 ℃，操作壓力1.0 MPa。

在裝置運行時，設(shè)備出現(xiàn)異常聲響，故將還原氫入口閥逐漸關(guān)閉。由于流量降低，電加熱器溫度開始上升，最高時達到409.3 ℃。在調(diào)整過程中重整反應(yīng)系統(tǒng)壓力降低，20 min 后又將還原氫流量控制閥逐漸開大，流量增加，由于電加熱器熱量被迅速帶走，因此溫度從409.3 ℃下降到253.5 ℃，此時電加熱器筒體發(fā)生泄漏并導(dǎo)致自燃。

1 宏觀觀察

加熱器筒體爆裂后的外表面及內(nèi)表面宏觀形貌如圖1、圖2 所示。筒體具有明顯的塑性變形，裂口的縱向長度約為70 cm，最寬處達到10 cm。加熱器筒體內(nèi)表面有輕微的腐蝕痕跡，并有黃色腐蝕產(chǎn)物附著。觀察裂口的斷面，未見明顯的腐蝕減薄痕跡。裂口斷面較粗糙，并且爆裂位置全部分布在焊縫區(qū)域，僅裂紋尖端局部分布在焊縫熱影響區(qū)位置。

從筒體外表面裂口觀察，焊縫有輕微咬邊現(xiàn)象，從內(nèi)表面看，焊肉不明顯。同時，在爆裂位置尖端附近有一處明顯鼓包的位置，其形貌如圖3所示，對應(yīng)內(nèi)表面可觀察到有環(huán)向的疑似劃痕或裂紋形貌存在(見圖4)。

圖1 筒體開裂處內(nèi)表面形貌Fig.1 Inner surface morphology of tube crack

圖2 筒體開裂處外表面形貌Fig.2 Outer surface morphology of tube crack

圖4 筒體內(nèi)表面鼓包處形貌Fig.4 Inner surface morphology of tube bulge

2 試驗檢測

2.1 材質(zhì)分析

分別對焊縫和母材的材質(zhì)進行了檢驗，結(jié)果如表1、表2 所示。對照GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可見母材的化學(xué)成分中Cr 和Ni 的含量略低于標(biāo)準(zhǔn)含量，P 含量略高于標(biāo)準(zhǔn)含量。根據(jù)GB/T 222《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》的規(guī)定，P 質(zhì)量分數(shù)的允許偏差應(yīng)在0.01%，因此P含量合格，Cr 質(zhì)量分數(shù)的允許偏差在0.2%，因此Cr 質(zhì)量分數(shù)較標(biāo)準(zhǔn)仍低0.2%。Ni 質(zhì)量分數(shù)偏差應(yīng)在0.1%，因此Ni 含量也是低于標(biāo)準(zhǔn)的。

從焊縫的材質(zhì)可以看出，應(yīng)屬于H1Cr26Ni21焊絲材質(zhì)。但對于0Cr18Ni10Ti 不銹鋼的焊接，一般會選用ER321 或者ER347 的焊條，因為其與母材一樣，含有Ti 或Nb 的成分，抑制晶間貧鉻發(fā)生，從而抑制晶間腐蝕。

表1 母材材質(zhì)分析結(jié)果Table 1 Material analysis of base metal w，%

表2 焊縫材質(zhì)分析結(jié)果Table 2 Material analysis of weld w，%

2.2 金相檢驗

圖5 和圖6 為裂口的裂紋尖端取樣，并從橫截面觀察的金相組織形貌?？梢妰?nèi)外焊縫均有裂紋分布。從圖5 可以清晰觀察到從外表面向焊縫內(nèi)部擴展的裂紋。圖6 可以觀察到從內(nèi)表面向焊縫內(nèi)部擴展的裂紋，并在內(nèi)焊縫區(qū)域可見焊縫內(nèi)的裂紋，最寬的裂紋在焊縫處。

圖5 裂口靠近外表面金相Fig.5 Metallographic analysis near outer surface

圖6 裂口靠近內(nèi)表面金相Fig.6 Metallographic analysis near inner surface

圖7、圖8 所示為鼓包處的橫截面金相。在顯微鏡下觀察，裂紋邊緣有明顯的氧化痕跡，并且裂紋較鈍，邊緣有明顯的晶粒缺失留下的空洞，裂紋總長度約為2 204.55 μm。同時，在低倍的金相還可以觀察到，宏觀裂紋擴展到的最后位置，與上部沒有裂紋的位置相比較，金相組織有明顯差異，上部(近外表面)為正常的奧氏體組織，下部(近內(nèi)表面)有宏觀裂紋的區(qū)域可見沿奧氏體晶間的空洞，此區(qū)域的大致厚度為2 401.51 μm。其次，從圖8 可以看出，晶界不僅產(chǎn)生了空洞，并且已經(jīng)有析出相生成，同時可觀察到晶間的方形夾雜物，應(yīng)該為TiN 夾雜［1］?？斩炊喑霈F(xiàn)在三叉晶界處。

圖7 鼓包處靠近內(nèi)表面橫截面金相(低倍)Fig.7 Metallographic analysis of tube bulge

圖8 鼓包處橫截面裂紋金相(高倍)Fig.8 Metallographic analysis of tube bulge near inner surface

2.3 電鏡及能譜分析

對斷口的微觀形貌進行觀察，如圖9 所示，可見韌窩和撕裂嶺。斷口中間部位，即內(nèi)外焊縫熔合線附近區(qū)域，兩側(cè)分別為撕裂的形貌，中間區(qū)域可見撕裂嶺，但從撕裂嶺的形狀上判斷，材料韌性不大。

圖9 斷口微觀形貌Fig.9 Fracture morphology

表3 為焊縫及母材區(qū)域能譜分析結(jié)果。在焊縫正常無裂紋區(qū)域的表面成分中，Cr 質(zhì)量分數(shù)在18%左右，焊縫裂紋區(qū)域Cr 質(zhì)量分數(shù)僅為4.52%，明顯貧鉻。母材內(nèi)表面位置其Cr 質(zhì)量分數(shù)為3.70%，臨近內(nèi)表面區(qū)域Cr 質(zhì)量分數(shù)為8.14%，而繼續(xù)向外表面推進的區(qū)域，Cr 質(zhì)量分數(shù)為18.17%，屬于正常的范圍。可見越靠近內(nèi)表面越貧鉻，從形貌上，也能很清楚的分出這三個區(qū)域，靠近內(nèi)表面的區(qū)域其表面有較多明顯的空洞，中間區(qū)域則可見微小空洞。

表3 能譜分析結(jié)果Table 3 EDX analysis

2.4 力學(xué)性能檢驗

表4 所示為遠離裂口位置的常溫及高溫拉伸測試結(jié)果，可以看出其常溫測試結(jié)果中，屈服強度明顯較低，高溫測試結(jié)果中，其抗拉及屈服強度較常溫狀態(tài)下均明顯較低。

表4 拉伸試驗結(jié)果Table 4 Tensile test results

3 分析與討論

從宏觀上觀察，加熱器筒體的失效首先是縱焊縫位置的開裂，以及母材位置上的三條縱向裂紋，因此初步判斷加熱器筒體的失效與內(nèi)壓力有關(guān)。

從焊縫及其母材的金相分析可觀察到，焊縫與母材的晶間均有大小不一的空洞，空洞多出現(xiàn)在三叉晶界處，而通過焊縫的微觀斷口觀察，可見韌窩和撕裂嶺形貌，因此，初步判斷焊縫處的斷裂及筒體母材部位出現(xiàn)的鼓包及內(nèi)表面的裂紋，均與材料的沿晶蠕變斷裂有關(guān)。

所謂蠕變，是指在一定的溫度和較小的恒定外力(拉力、壓力、扭力)作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。嚴格來說，蠕變可以發(fā)生在任何溫度，但是只有當(dāng)T/Tm(使用溫度與材質(zhì)熔點之比)大于0.3 時，蠕變現(xiàn)象才會明顯。影響蠕變過程的根本原因在于材料自身性質(zhì)。但對于同種材料來說，蠕變過程的兩個重要參數(shù)是溫度和應(yīng)力。增大應(yīng)力或是提高溫度時，蠕變壽命變短，變形速度加快，耐高溫性能差。對于大多數(shù)金屬而言，蠕變在室溫下變形很小，可以忽略不計，但溫度超過300 ℃時，鋼的力學(xué)性能，如彈性模量、屈服強度等明顯隨溫度升高而降低。通常碳素鋼超過300～350 ℃，合金鋼在400～450 ℃以上時才有蠕變行為。通過對加熱器筒體的力學(xué)性能測試，可以看出，其屈服強度明顯降低，同時操作溫度為490 ℃，驗證了蠕變發(fā)生的可能性。從形貌上觀察，筒體的蠕變變形屬于沿晶蠕變斷裂形式，沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料(如耐熱鋼、高溫合金等)蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因為在高溫、低應(yīng)力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。

從焊縫及母材的能譜分析結(jié)果可以看出，越靠近內(nèi)表面區(qū)域，其鉻含量越低，貧鉻越明顯，晶界上有碳化鉻析出。對于奧氏體不銹鋼材料而言，450～800 ℃溫區(qū)稱為不銹鋼的敏化溫度區(qū)間，加熱器筒體的操作溫度為490 ℃，正處于敏化區(qū)間，因此不銹鋼在這一溫區(qū)停留時沿晶界會析出以Cr23C6為主的碳化物，造成晶界附近鉻含量降低，這從能譜分析得到證實。貧鉻后固溶的碳減少了，強度就減小，因此在高溫和應(yīng)力(內(nèi)壓力)長時間作用下，筒體發(fā)生蠕變而變形，從而在三叉晶界產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終的宏觀斷裂。另外，從材質(zhì)分析結(jié)果可以看出，焊縫的材料中不含有Ti 或Nb 元素，因此不能有效的抑制碳化鉻的形成，使焊縫位置較母材貧鉻現(xiàn)象更嚴重，因此使本來就脆弱的焊縫位置更容易開裂。

4 失效分析結(jié)論

(1)加熱器筒體的母材鉻和鎳偏低，焊縫材質(zhì)雖比常規(guī)的321 材質(zhì)高，但卻不含Ti 元素。

(2)焊縫及母材區(qū)域靠近內(nèi)表面區(qū)域均明顯貧鉻。

(3)加熱器筒體的操作溫度正好處于不銹鋼的敏化溫度區(qū)間，焊縫本身不含Ti，故容易在晶界析出碳化鉻，造成晶間貧鉻。母材雖然為含鈦不銹鋼，但是如果長時間在敏化溫度區(qū)間內(nèi)工作，即使穩(wěn)定化的不銹鋼也會發(fā)生晶間貧鉻現(xiàn)象。貧鉻造成焊縫及母材的強度降低。

(4)宏觀及微觀斷口形貌觀察到的韌窩及撕裂嶺形貌，以及金相觀察到的晶界空洞，證實焊縫及母材斷裂具有沿晶蠕變斷裂特征，產(chǎn)生的原因是高溫及低應(yīng)力的長期作用;

(5)焊縫及母材的斷裂屬于貧鉻和蠕變的綜合作用。

5 建議和措施

(1)焊絲應(yīng)采用含鈦或者含鈮的材料，防止碳化鉻的析出，進而防止晶間貧鉻。母材控制質(zhì)量，以獲得合格的鉻含量和鎳含量，降低貧鉻可能性;其次，母材及焊縫也可以采用低碳不銹鋼;

(2)在高溫下工作的不銹鋼，蠕變很難避免，因此在工藝允許的情況下，應(yīng)盡量降低溫度，一方面使操作溫度低于0.3 Tm，另一方面避開不銹鋼的敏化溫度區(qū)間，防止晶間貧鉻發(fā)生，同時減少蠕變。

［1］李玉華，鄭建強，林國強.簾線鋼中鈦夾雜物形貌和尺寸的計算［J］.南鋼科技與管理，2012(1):1-4.