長期高溫服役乙烯裂解爐管焊接接頭損傷分析

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(1. 中國石油化工股份有限公司廣州分公司, 廣州 510726； 2. 青島新力通工業(yè)有限責(zé)任公司, 青島 266706)

長期高溫服役乙烯裂解爐管焊接接頭損傷分析

潘培明1,姚年善2

(1. 中國石油化工股份有限公司廣州分公司, 廣州 510726； 2. 青島新力通工業(yè)有限責(zé)任公司, 青島 266706)

為了研究長期高溫服役后乙烯裂解爐管焊接接頭的損傷情況，對服役6 a(年)后的Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的顯微組織、高溫持久性能、硬度等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：經(jīng)過長期高溫服役后，Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材及焊縫區(qū)域的原始共晶碳化物發(fā)生粗化，形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，二次碳化物聚集長大成塊狀；碳化物M7C3和NbC分別轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6和G相；焊接接頭的高溫持久性能下降，硬度升高；熔合線附近區(qū)域是整個焊接接頭的最薄弱區(qū)域;該乙烯裂解爐管服役6 a后焊縫熱影響區(qū)的損傷較為嚴(yán)重，爐管不宜繼續(xù)使用。

乙烯裂解爐管；焊接接頭；Cr35Ni45Nb合金；損傷；長期高溫服役；碳化物

乙烯裂解爐是乙烯工業(yè)中的核心部件，其工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，處于滲碳、氧化、各種復(fù)雜應(yīng)力工況下[1]，而乙烯裂解爐管的使用壽命影響著整個乙烯生產(chǎn)過程的運(yùn)行。其爐管材料一般采用高鉻、高鎳合金，20世紀(jì)60年代開發(fā)出了HK40合金，70年代末開發(fā)了HP40合金，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的材料是在HP合金的基礎(chǔ)上添加鈮、鈦、鋯、釔、鋁等元素的新型合金[2-5]，目前我國Cr35Ni45Nb合金材料在乙烯裂解爐中的應(yīng)用非常廣泛[6-7]。乙烯裂解爐管是由奧氏體離心鑄造耐熱鋼管焊接而成，服役過程中焊接接頭是最容易失效的部件之一[8-10]，因此研究Cr35Ni45Nb合金爐管焊接接頭的損傷情況對防止乙烯裂解爐管失效具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

筆者從顯微組織、高溫持久性能、硬度、斷口等方面研究了服役6 a(年)的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解爐管焊接接頭的損傷情況，旨在為乙烯裂解爐管的壽命預(yù)測及日常維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用的爐管材料為服役6 a的Cr35Ni45Nb合金乙烯裂解爐管，從裂解爐出口區(qū)域選取，實(shí)際服役溫度為1 050 ℃左右。采用熒光光譜對爐管材料化學(xué)成分進(jìn)行分析，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為：1.785Si，0.72Mn，0.029P，0.026S，18.83Fe，33.07Cr，44.73Ni，0.741Nb，0.005Ti，0.001Zr。從Cr35Ni45Nb合金爐管上切取金相試樣，經(jīng)200～2 000號砂紙打磨后機(jī)械拋光，最后使用10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的草酸溶液在5 V電壓條件下進(jìn)行電解侵蝕。采用MEF-4型光學(xué)顯微鏡、SUPRA55型掃描電鏡觀察分析焊接接頭母材及熔合區(qū)的顯微組織變化、碳化物析出情況及斷口形貌。采用RWS-50型蠕變持久試驗(yàn)機(jī)測試焊接接頭的持久強(qiáng)度，試驗(yàn)溫度為1 100 ℃，試驗(yàn)應(yīng)力為17 MPa。采用維氏硬度計(jì)測試焊接接頭的硬度，試驗(yàn)載荷為9.8 N，保載時間為15 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

乙烯裂解爐管材料經(jīng)歷了長期高溫服役以后，組織發(fā)生退化，碳化物發(fā)生轉(zhuǎn)變。Cr35Ni45Nb合金的鑄態(tài)顯微組織由奧氏體與共晶碳化物組成，原始共晶碳化物為非平衡態(tài)的M7C3和NbC，服役過程中在枝晶內(nèi)部會析出二次碳化物M23C6，同時原始共晶碳化物也會轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6，NbC轉(zhuǎn)變?yōu)镚相[11-12]。當(dāng)服役溫度低、時間短時，二次碳化物細(xì)小而分散，對材料有強(qiáng)化作用；隨著溫度的升高和時間的延長，二次碳化物聚集長大，材料強(qiáng)度開始降低。共晶碳化物隨著服役溫度的升高、時間的延長，其類型、形態(tài)也發(fā)生變化，M7C3向M23C6轉(zhuǎn)化，形態(tài)也由骨架狀向網(wǎng)鏈狀、斷續(xù)網(wǎng)鏈狀、間斷不連續(xù)大塊狀發(fā)展，材料高溫性能逐漸降低[13-15]。

圖1 鑄態(tài)及服役后焊接接頭的顯微組織形貌及能譜分析結(jié)果Fig.1 Microstructure morphology and energy spectrum analysis results of as-casting and serviced welding joints:a) as-casting microstructure morphology; b) serviced microstructure morphology; c) energy spectrum of point A; d) energy spectrum of point B; e) energy spectrum of point C; f) energy spectrum of point D

圖1為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭鑄態(tài)與服役6 a后顯微組織的背散射電子形貌，可以看出合金中明顯存在兩種第二相[13,16-17]，即灰色相和白亮相。由圖1c)～f)可以看出，A點(diǎn)為NbC，B點(diǎn)為M7C3，C點(diǎn)為G相，D點(diǎn)為M23C6。對比圖1a),b)可以看出，服役6 a后Cr35Ni45Nb合金中的碳化物明顯長大，原始共晶碳化物已經(jīng)形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在枝晶內(nèi)部析出二次碳化物并長大成塊狀，原始的NbC轉(zhuǎn)變?yōu)镚相后逐漸被長大的M23C6碳化物所包圍。

圖2為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭新焊縫及服役6 a后焊縫顯微組織的背散射電子形貌，圖2中相的種類與圖1所示的類似。由圖2可以看出：新焊縫母材及焊縫區(qū)存在兩種相，即灰色相和白亮相，分別為M7C3及NbC；服役6 a后焊縫母材及焊縫區(qū)的第二相也為兩種相，即M23C6及G相；焊縫區(qū)碳化物在服役后長大，母材中的碳化物也在服役后粗化。

圖2 焊接接頭新焊縫和服役后焊縫的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of new and serviced welding seam of the welding joints:a) new welding seam; b) serviced welding seam

由圖1及圖2可以看出，服役6 a后，雖然Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材碳化物粗化嚴(yán)重，并且形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但并未出現(xiàn)蠕變孔洞，損傷輕微。然而焊縫的熱影響區(qū)存在較多孔洞，說明組織損傷比較嚴(yán)重，爐管壽命嚴(yán)重縮短。

2.2 高溫持久性能

乙烯裂解爐管經(jīng)歷長期高溫服役后組織發(fā)生惡化，降低了其高溫蠕變性能[18-19]。沿晶界分布的連續(xù)網(wǎng)狀共晶碳化物顯著降低了材料的高溫蠕變性能[19-20]，尤其是熔合線附近的母材與焊縫區(qū)域的碳化物在尺寸及密度方面相差較大，組織不均勻，成為優(yōu)先發(fā)生失效的區(qū)域。表1為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭服役6 a后焊縫及母材的高溫持久性能，可以看出：經(jīng)過長期高溫服役后，焊縫及母材的高溫持久性能降低較多，尤其是焊縫的高溫持久性能降低更多；新焊縫及服役后焊縫的高溫持久性能都明顯低于母材的，這也說明焊縫是乙烯裂解爐管的薄弱區(qū)域之一。因此，提高焊縫質(zhì)量和高溫持久性能是延長乙烯裂解爐管服役壽命的重要措施之一。

表1 焊接接頭焊縫及母材的高溫持久性能Tab.1 High-temperature endurance property of base metal andwelding seam of welding joints

圖3 Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的L-M曲線Fig.3 L-M curves of welding joints of Cr35Ni45Nb alloy

為了評估高溫爐管的服役損傷情況，一些科研工作者采用金相法直接觀察其顯微組織，獲得材料服役后的相關(guān)信息，建立顯微組織與服役損傷之間的相關(guān)關(guān)系，然后進(jìn)行評價。May I L等[21]進(jìn)行了深入的研究，并提出了高溫爐管損傷分級圖。但僅僅采用金相法評價服役后乙烯裂解爐管的損傷情況并不能夠準(zhǔn)確評定其損傷程度，拉森-米勒(L-M)參數(shù)法是一種應(yīng)用最廣泛的外推法，圖3為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的L-M曲線。從圖3可以看出，新焊縫及鑄態(tài)母材的高溫持久強(qiáng)度均位于Cr35Ni45Nb合金L-M曲線的下限以上，而服役6 a后焊縫和母材的高溫持久強(qiáng)度均位于L-M曲線的下限以下，并且遠(yuǎn)離下限。說明服役6 a后，該乙烯裂解爐管損傷非常嚴(yán)重，不宜繼續(xù)服役。

2.3 硬度

圖4為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭焊縫及母材的顯微硬度，可以看出，服役前后焊縫硬度均高于母材硬度，服役后焊縫及母材硬度均高于鑄態(tài)時焊縫及母材硬度。服役后焊縫硬度升高是由于原始共晶碳化物發(fā)生粗化及二次碳化物的析出。焊縫硬度高于母材硬度的原因是焊縫區(qū)域碳化物尺寸小于母材中的碳化物尺寸，并且碳化物密度也大于母材的，碳化物在焊縫區(qū)域呈細(xì)小彌散分布。服役后在焊縫及母材的內(nèi)外表面均出現(xiàn)了硬度軟點(diǎn)是由于服役過程中內(nèi)外表面發(fā)生了脫碳，形成了一層脫碳層。

圖4 鑄態(tài)及服役后Cr35Ni45Nb合金焊接接頭硬度Fig.4 Hardness of as-casting and serviced welding joints of Cr35Ni45Nb alloy: a) base metal; b) welding seam

2.4 斷口

圖5 Cr35Ni45Nb合金的高溫持久斷口形貌Fig.5 Morphology of high-temperature endurance fracture of Cr35Ni45Nb alloy:a) base metal; b) welding joint

圖5分別為Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材及接頭的高溫持久試樣斷口。由于斷口在高溫下發(fā)生氧化，因而斷口表面覆蓋一層氧化膜。從宏觀斷口可以明顯看出韌性斷裂，從斷口形貌可以看出，母材及焊接接頭均為沿晶斷裂，明顯可見柱狀晶、等軸晶結(jié)構(gòu)。圖6為服役6 a后Cr35Ni45Nb合金焊接接頭高溫持久試樣斷口的剖面形貌，可以看出裂紋沿熔合線開裂，這也說明熔合線附近是焊接接頭的薄弱區(qū)域。在粗大的碳化物與基體的界面周邊存在很多微裂紋，碳化物粗大造成材料高溫持久強(qiáng)度降低，這些粗大的原始共晶碳化物成為高溫持久斷裂過程中的裂紋源。

圖6 服役后Cr35Ni45Nb合金焊接接頭的持久斷口剖面形貌Fig.6 Profile morphology of serviced welding joint of Cr35Ni45Nb alloy

3 結(jié)論

(1) Cr35Ni45Nb合金焊接接頭經(jīng)過長期高溫服役后，母材及焊縫區(qū)域均發(fā)生了碳化物粗化，形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，析出的二次碳化物長大成塊狀，同時原始共晶碳化物M7C3和NbC分別轉(zhuǎn)變?yōu)镸23C6和G相。

(2) 經(jīng)過長期服役后，Cr35Ni45Nb合金焊接接頭母材及焊縫區(qū)域的高溫持久性能降低，但硬度升高，且焊縫硬度高于母材硬度。通過對母材及焊接接頭的損傷分析可知，服役6 a后焊縫的熱影響區(qū)損傷非常嚴(yán)重，該乙烯裂解爐管不宜繼續(xù)使用。

(3) Cr35Ni45Nb合金經(jīng)過長期服役后母材及焊接接頭的高溫持久斷裂方式為韌性沿晶斷裂，其中焊接接頭沿熔合線斷裂，熔合線附近區(qū)域是整個焊接接頭的薄弱區(qū)域。

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DamageAnalysisofWeldingJointsofEthyleneCrackingFurnaceTubesafterLong-TermServiceunderHighTemperature

PANPeiming1,YAONianshan2

(1. China Petroleum & Chemical Corporation Guangzhou Company, Guangzhou 510726, China; 2. Qingdao NPA Industry Co., Ltd., Qingdao 266706, China)

To investigate the damage situation of welding joints of ethylene cracking furnace tubes after long-term service under high temperature, the microstructure, high-temperature endurance property and hardness of welding joints of Cr35Ni45Nb alloy after a six-year service was analyzed. The results show that: after a high temperature and long term service, the primary eutectic carbides in base metal and welding seam of welding joints of Cr35Ni45Nb alloy coarsened and formed a continuous network structure, and the secondary carbides agglomerated together to blocky shape; the carbides of M7C3and NbC transformed into M23C6and G phase respectively; the high-temperature endurance property of welding joints decreased and the hardness increased; the area around the fusion line was the weakest zone of the entire welding joints; the damage of the heat affection zone of welding seam of ethylene cracking furnace tubes was comparatively serious after a 6-year service, and the furnace tubes should not be used any more.

ethylene cracking furnace tube; welding joint; Cr35Ni45Nb alloy; damage; long-term service under high temperature; carbide

10.11973/lhjy-wl201711004

TB35

A

1001-4012(2017)11-0786-05

2017-02-27

潘培明 (1963-)，男，工程師，主要從事石油化工設(shè)備管理工作，panpeiming.gzsh@sinopec.com