樊 釗,徐 偉,陳偉民,王光輝
(國核電站運行服務技術有限公司,上海 ２００２３３)
摘 要:利用光學顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀、拉伸及沖擊試驗機等對服役１５a的制氫轉化爐中HP４０Nb鋼爐管的顯微組織和力學性能進行了研究,依據高溫持久試驗結果估算了爐管剩余壽命.結果表明:長期高溫服役后,爐管鋼組織中晶界粗化并有 G 相析出,晶內二次碳化物析出明顯,近內壁、近外壁和基體中均出現蠕變孔洞,近內壁和近外壁發生氧化和貧鉻,外壁形成脫碳層;與原始鑄態爐管相比,長期高溫服役后爐管的室溫抗拉強度降幅超３０％,高溫抗拉強度降幅約１８％,室溫沖擊功下降明顯,剩余壽命不足１a.
關鍵詞:轉化爐爐管;HP４０Nb鋼;顯微組織;G 相;剩余壽命
中圖分類號:TG１４２．７３;TE９６３;TQ０５２．６ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０６Ｇ００４９Ｇ０６
StructureandRemnantLifeofHP４０NbSteelFurnaceTube afterLongＧTerm HighＧTemperatureService
FANZhao,XU Wei,CHEN Weimin,WANGGuanghui
(StateNuclearPowerPlantServiceCompany,Shanghai２００２３３,China)
Abstract:The microstructureand mechanicalpropertiesof HP４０Nbsteelfurnacetubeinahydrogen reformerafter１５Ｇyearservicewerestudiedbyopticalmicroscope,scanningelectronmicroscope,energydispersive spectrometer,tensileandimpacttesters．BasedonthehighＧtemperaturecreeprupturetestingresults,theremnant lifeofthefurnacetubewasevaluated．TheresultsshowthatafterthelongＧtermhighＧtemperatureservice,inthe microstructureoffurnacetubesteel,thegrainboundariescoarsened withtheG phaseprecipitation;secondary carbidesprecipitatedingrainsobviously;creepvoids wereobservednearinnerandouter wallandin matrix; oxidationandchromiumdepletionwereobservednearinnerandouterwall;decarburizationlayerwasformedonthe outerwall．ComparedwiththeasＧcaststeelfurnacetube,thetensilestrengthofthefurnacetubeafterthelongＧterm highＧtemperatureservicereducedby３０％ and１８％ atroomandhightemperature,respectively,theimpactenergy atroomtemperaturedecreasedsignificantly,andtheremnantlifewaslessthan１a．
Keywords:reformerfurnacetube;HP４０Nbsteel;microstructure;Gphase;remnantlife
０ 引 言
制氫轉化爐是煉油廠制氫裝置的核心設備,其輻射段爐管使用的材料大多為 HP４０Nb鋼[１].該類輻射段爐管為離心鑄造管,鋼中鎳質量分數約為３５％,同時含有質量分數約１％的鈮元素,具有良好的抗滲碳、抗高溫蠕變和抗氧化等性能[２].然而,在長期高溫服役過程中,爐管材料不可避免地會發生劣化,影響轉化爐的安全可靠運行.目前,相關研究大多集中在爐管的開裂原因分析、蠕變性能研究和剩余壽命評估等方面[３Ｇ８],而對爐管材料在長期高溫服役后的組織轉變以及這種轉變與爐管力學性能和剩余壽命的關系研究較少.為此,作者對服役１５a的制氫轉化爐輻射段用 HP４０Nb鋼爐管的顯微組織進行了分析,并研究了其力學性能及爐管的剩余壽命.
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試驗 材 料 取 自 某 煉 油 廠 制 氫 轉 化 爐 輻 射 段HP４０Nb鋼爐管,規格為?１２７ mm×１２ mm,其化學成分見表 １,滿足 HG/T２６０１－２０１１ 的指標要求.該制氫轉化爐為頂燒箱式加熱爐,１９９９年投入使用,累積運行時間超過１５a,其設計使用溫度為９５０ ℃,實際最高運行溫度為９２０ ℃,爐管內最高工作壓力為２．３MPa.取１根爐管的兩段進行對比研究,一段位于爐管頂部法蘭下方,簡稱１＃ 管.由于爐頂保溫層的存在和高溫運行時爐管發生熱膨脹向上伸縮,１＃ 管未經歷爐膛內高溫,其顯微組織及力學性能接近鑄造爐管的原始狀態.另一段距爐管頂部法蘭３．５m 處,簡稱２＃ 管.２＃ 管位于頂燒箱式加熱爐外焰噴射處,其管壁溫度在整根爐管中最高.
１．２ 試驗方法
在１＃ 管、２＃ 管上分別切取表面尺寸為１５mm×１５mm 的金相試樣,經粗磨、細磨、拋光后,用５g三氯化鐵＋５０mL鹽酸＋１００mL水組成的混合溶液腐蝕,采用 蔡 司 AxioImagerA２m 型 光 學 顯 微 鏡(OM)、FEIQuanta４５０FEG型掃描電鏡(SEM)觀察其顯 微 組 織,用 SEM 附 帶 的 OXFORD AztecXＧMAX５０型能譜分析儀(EDS)分析微 區 成 分.根據 GB/T２２８．１－２０１０和 GB/T４３３８－２００６,分別在１＃ 管、２＃ 管的向火面及 背 火 面 截 取 拉 伸 試 樣,在 ZWICK/RoellZ２５０ 型 萬 能 試 驗 機 上 進 行 室 溫(２３ ℃)及 高 溫 (９５０ ℃)拉 伸 性 能 試 驗,試 樣 長７０mm,標距段尺寸為?５ mm×２５ mm,拉伸速度為２mm??min－１,高溫拉伸試驗前試樣在９５０ ℃保溫１０min.根據 GB/T２２９－２００７,分別在１＃ 管、２＃ 管的 向 火 面 及 背 火 面 截 取 夏 比 沖 擊 試 樣,在SANSZBC２０００型金屬擺錘沖擊試驗機上進行夏比沖 擊 試 驗,試 驗 溫 度 為 ２３ ℃,試 樣 的 尺 寸 為１０mm×７．５mm×５５mm.根據 GB/T２０３９－１９９７,在 RCＧ１１３０A 型高溫持久蠕變試驗機上對２＃ 管試樣進行高溫持久試驗,試驗溫度為９５０℃,試樣規格為 ?８ mm,標 距 為 ４０ mm,應 力 范 圍 為 ２０~５０MPa.
２ 試驗結果與討論
２．１ 顯微組織
由圖１可知,１＃ 管橫截面中心的顯微組織為奧氏體＋共晶碳化物,晶界呈骨架狀分布,基體上無析出物或其他相生成,可視為 HP４０Nb鋼的原始鑄態組織.結合表２分析可知:由共晶碳化物構成的晶界由兩種碳化物組成,在 OM 下呈深灰色、SEM 下呈亮白色的組織為含鈮碳化物,即 NbC;而在 OM下呈亮白色、SEM 下呈深灰色的組織為含鉻碳化物,以 M２３C６ 相為主,與文獻[９Ｇ１３]報道一致.由表２還可看出:位置３處的鉻質量分數為２４．７％,與表１中的鉻含量基本一致,即位置３處為奧氏體基體;鈮質量分數僅為０．２％,說明鈮元素主要分布在晶界上.
由圖２可知:在２＃ 管橫截面中心的組織中,晶界上的一次碳化物呈鏈狀和條狀,與鑄態組織(１＃管)相比,２＃ 管的晶界粗大,分布不連續;在距內表面約４mm 處,２＃ 管中存在蠕變孔洞,蠕變孔洞主要沿一次碳化物邊緣析出,孔洞直徑為３~５μm.結合表３分析可知:晶界上暗黑色組織(位置４)為富鉻 的 M２３ C６,淺 灰 色 組 織 (位 置 ５)為富 鈮相,該相為含鈮、鎳、硅的化合物,推測為G相屬 NbC高溫轉變析出相,與文獻[１１,１３Ｇ１５]報道一致;奧氏體晶粒內有一定量的二次碳化物(位置６)析出,該碳化物為富鉻碳化物,呈方形或針狀彌散分布在晶粒內,而非集中在晶界附近區域,部分晶界邊緣二次碳化物較少,晶粒內二次碳化物已長大粗化,最大直徑約３μm;奧氏體基體(位置７)中鉻質量分數為２３．３％,較１＃ 管中的略有減少.
圖３ ２＃ 管橫截面近外壁和近內壁的顯微組織
Fig.３ Microstructuresatcrosssectionnearouterandinnerwallof２＃ tube a－b OMandSEMimagesnearouterwall
and c－d OMandSEMimagesnearinnerwall