樊 釗,徐 偉,陳偉民,王光輝
(國核電站運行服務技術(shù)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(zhuǎn)化爐中HP４０Nb鋼爐管的顯微組織和力學性能進行了研究,依據(jù)高溫持久試驗結(jié)果估算了爐管剩余壽命.結(jié)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(nèi)二次碳化物析出明顯,近內(nèi)壁、近外壁和基體中均出現(xiàn)蠕變孔洞,近內(nèi)壁和近外壁發(fā)生氧化和貧鉻,外壁形成脫碳層;與原始鑄態(tài)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(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhì)量分數(shù)約為３５％,同時含有質(zhì)量分數(shù)約１％的鈮元素,具有良好的抗?jié)B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(fā)生劣化,影響轉(zhuǎn)化爐的安全可靠運行.目前,相關(guān)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(zhuǎn)變以及這種轉(zhuǎn)變與爐管力學性能和剩余壽命的關(guān)系研究較少.為此,作者對服役１５a的制氫轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 化 爐 輻 射 段HP４０Nb鋼爐管,規(guī)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(zhuǎn)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(nèi)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(fā)生熱膨脹向上伸縮,１＃ 管未經(jīng)歷爐膛內(nèi)高溫,其顯微組織及力學性能接近鑄造爐管的原始狀態(tài).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(jīng)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(qū) 成 分.根據(jù) 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(jù) 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(jù) 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(guī)格為 ?８ mm,標 距 為 ４０ mm,應 力 范 圍 為 ２０~５０MPa.
２ 試驗結(jié)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(tài)組織.結(jié)合表２分析可知:由共晶碳化物構(gòu)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(zhì)量分數(shù)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(zhì)量分數(shù)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(tài)組織(１＃管)相比,２＃ 管的晶界粗大,分布不連續(xù);在距內(nèi)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(jié)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(zhuǎn)變析出相,與文獻[１１,１３Ｇ１５]報道一致;奧氏體晶粒內(nèi)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(nèi),而非集中在晶界附近區(qū)域,部分晶界邊緣二次碳化物較少,晶粒內(nèi)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(zhì)量分數(shù)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(nèi)壁的顯微組織
Fig.３ Microstructuresatcrosssectionnearouterandinnerwallof２＃ tube a－b OMandSEMimagesnearouterwall
and c－d OMandSEMimagesnearinnerwall