蔡曉輝， 劉 峰

（1.中國石油天然氣股份有限公司撫順石化分公司，遼寧撫順113006；2.遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

某石化企業(yè)的一臺鍋爐使用近三年后，近期發(fā)生高溫爐管開裂事故，造成工作氣體泄漏，影響企業(yè)安全生產(chǎn)，并造成一定的經(jīng)濟損失。為了查明開裂原因，進而采取改進措施，保證鍋爐的正常運行，因而對開裂爐管進行了失效分析，以期了解鍋爐運行期間工作介質(zhì)、熱循環(huán)過程、熱應(yīng)力分布等對開裂過程的影響。

1 爐管工作條件

該高溫鍋爐爐管工作溫度為620℃，管內(nèi)主要為氣體介質(zhì)，成分以氮氫為主，其中氫氣所占比例為15%～20%。由于在高溫臨氫條件下使用，爐管選用的材質(zhì)為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，管徑為219 mm，壁厚12mm。這是一種應(yīng)用廣泛的不銹鋼，常用于化工設(shè)備，食品生產(chǎn)設(shè)備，核能設(shè)備等，具有優(yōu)良的綜合性能，使用溫度范圍－196～800℃，并且具有較好的抗氫腐蝕性能，因此在本鍋爐中使用是合理的［1－2］。根據(jù)對鍋爐運行的了解和對開裂爐管的初步觀察，開裂發(fā)生在爐管彎頭內(nèi)部，為穿透裂紋。

2 微觀組織分析

2.1 金相分析

采用電火花線切割機在裂紋尖端附近區(qū)域切取尺寸為20mm×10mm×10mm的試樣，使裂紋尖端處于試樣中部，沿與原裂紋面垂直的縱向剖面試樣，并用常規(guī)方法制取金相試樣。用Leica金相顯微鏡對晶粒形態(tài)，析出相和裂紋擴張路徑進行觀察。觀察結(jié)果如圖1所示，在金相試樣中沒有觀察到明顯的晶粒粗化和晶間沉淀相析出，說明爐管的使用溫度和使用環(huán)境并沒有超出材料的允許范圍。在所觀察的區(qū)域裂紋主要以沿晶方式擴展，而且在主裂紋附近還有一些微裂紋萌生，如圖1所示。由于高溫爐管在正常運行時的工作溫度約為620℃，同時其工作介質(zhì)中含有一定比例的氫氣，因此存在高溫氫腐蝕的可能性。其他還能導(dǎo)致裂紋沿晶擴展的因素有高溫蠕變，疲勞蠕變交互作用，晶間腐蝕等，但還需要結(jié)合掃描電子顯微鏡等的觀察結(jié)果綜合分析才能得出爐管開裂的主要原因。

Fig.1 Intergranular propagation of the crack圖1 以沿晶方式擴展的裂紋

2.2 掃描電子顯微鏡觀察

采用Quenta600型掃描電鏡對穿透裂紋的上下斷口表面以及與裂紋面垂直的縱向剖面進行觀察，以確定裂紋的萌生與擴展模式，分析開裂過程中疲勞、蠕變和熱損傷分別所起的作用。圖2（a）為裂紋源區(qū)的表面形貌，從這一區(qū)域的形貌特征來看，裂紋表現(xiàn)為穿晶或穿晶沿晶混合萌生。圖2（b）為裂紋擴展區(qū)形貌，斷口表面被氧化膜覆蓋，但是仍可看出其沿晶擴展模式。裂紋的萌生區(qū)和擴展區(qū)的表面有一定程度的氧化，說明裂紋形成后鍋爐又運行了相當(dāng)?shù)臅r間，即裂紋的形成經(jīng)歷了萌生和擴展的過程，而不是瞬時的開裂。圖2（c）為靠近裂紋尖端附近區(qū)域的表面形貌，由于該區(qū)域是最新形成的裂紋表面，氧化不明顯，可以清晰地觀察到其斷裂特征?？梢钥吹綌嗫诒砻娣植贾鼐?，而且斷口上的晶界表面較為光滑，沒有撕裂嶺或韌窩等形態(tài)，只有少量尺寸極小的凹坑，是典型的蠕變或疲勞－蠕變交互作用斷口。同時，在主裂紋附近發(fā)現(xiàn)了一些與主裂紋方向大致相同的晶界微裂紋，表明在裂紋擴展的這一階段（高K區(qū)），微裂紋是在材料內(nèi)部的晶界處萌生的，主裂紋的擴展只是將這些微裂紋串聯(lián)起來的過程。這些開裂特征與蠕變或疲勞蠕變交互作用損傷機制基本相符［3－5］。

Fig.2 The crack surface morphology of furnace tube圖2 爐管裂紋形貌

3 力學(xué)性能測試

3.1 顯微硬度

開裂爐管的內(nèi)側(cè)和外側(cè)管壁進行顯微硬度測量，測量結(jié)果見表1。開裂爐管的維氏硬度略高于固溶處理后的上限值200HV，這可能是熱應(yīng)變引起的加工硬化造成的。爐管在高溫下，發(fā)生膨脹，引起形變，當(dāng)發(fā)生塑性變形時，由于晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，這時金屬的強度和硬度升高，同時塑性和韌性降低。管壁內(nèi)側(cè)硬度值稍低于管壁外側(cè)，這可能也是與含碳量的變化有一定關(guān)系，但總體來說差別不大。鍋爐長期在高溫氫介質(zhì)中運行，其內(nèi)表面發(fā)生脫碳引起硬度值降低是可能的。

表1 開裂爐管材質(zhì)的顯微硬度（HV）Table 1 The micro hardness test results of cracked boiler tube（HV）

3.2 沖擊性能

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼有較好的強度和韌性，同時它沒有明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度，因此沖擊韌性良好，通常情況下不必進行沖擊性能測試。但是在本次分析過程中，爐管材料的沖擊韌性有可能因高溫氫腐蝕而下降，因此對爐管裂紋附近材料進行了沖擊性能測試。

用電火花線切割機從爐管開裂區(qū)域附近切取沖擊試樣，試樣按國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 229－2007《金屬材料 夏比擺鍾沖擊試驗方法》加工，試樣尺寸選定為55mm×10mm×7.5mm，缺口深度為2mm。沖擊試驗在室溫下進行，測試結(jié)果如表2所示，沖擊功都在190J以上，表明爐管材料的沖擊韌性并未出現(xiàn)明顯下降。

表2 開裂爐管材質(zhì)的室溫沖擊韌性Table 2 Room temperature impact toughness of the cracked boiler tube

3.3 拉伸性能

在開裂爐管上切取拉伸試樣，按國標(biāo)GB／T 228.1－2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》和GB／T 4338－2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》，分別在常溫和600℃環(huán)境下進行拉伸實驗，實驗結(jié)果見表3。如表3所示，室溫下材料的屈服強度和抗拉強度與固溶處理后相比都有一定的升高，延伸率和斷面收縮率固溶處理相比則略有下降，這可能是由于爐管材料在使用過程中經(jīng)歷了較大的塑性變形而導(dǎo)致加工硬化所至。在600℃條件下材料的表現(xiàn)與室溫下的情況類似，也表現(xiàn)為強度提高而延伸率下降?？傊_裂爐管材質(zhì)的拉伸性能并沒有明顯的下降，其反映出的特征主要是加工硬化后強度的提高和塑性的少量下降，沒有發(fā)生氫腐蝕的明顯跡象。

表3 開裂爐管材質(zhì)的室溫和600℃拉伸性能Table 3 Tensile property of the cracked boiler tube at room temperature and 600℃

4 失效原因分析

如前所述，本次高溫爐管開裂具有典型的沿晶開裂特征，目前所知的能夠?qū)е聤W氏體不銹鋼沿晶開裂的可能原因有高溫蠕變、疲勞－蠕變交互作用、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、高溫氫腐蝕以及過熱造成的晶界強度下降等。由于本次開裂的爐管在運行過程中沒有接觸相應(yīng)的腐蝕介質(zhì)，因此可以排除晶間腐蝕的可能性。從鍋爐的運行溫度和爐管中的氣體介質(zhì)成份來看，開裂爐管是運行在600℃以上的含氫介質(zhì)中，有發(fā)生高溫氫腐蝕的可能。但同時，奧氏體不銹鋼耐氫腐蝕性能較好，實際運行中混合氣體壓力為0.17MPa，遠低于通常發(fā)生氫腐蝕的氫氣壓力。另外從斷口的形貌來看，典型的氫致斷裂斷口通常在低K值區(qū)表現(xiàn)為沿晶開裂，在高K值區(qū)則表現(xiàn)為穿晶開裂。但是實際的觀察結(jié)果則正好與此相反，低K值區(qū)表現(xiàn)為混合模式，高K值區(qū)則表現(xiàn)為典型的沿晶開裂［6］。由此可以推論，雖然氫氣的存在可能對裂紋萌生和擴展有一定加速作用，但并不是導(dǎo)致爐管開裂的主要原因。

考慮到該鍋爐的運行特點，每2～3d就需要經(jīng)歷一次啟動和停車的過程。在升溫和降溫過程中爐管承受交變熱應(yīng)力，造成疲勞損傷；而在鍋爐穩(wěn)定運行期間則承受恒應(yīng)力，導(dǎo)致蠕變損傷?？傮w而言，鍋爐爐管在運行過程中受到的是疲勞－蠕變交互作用，這是高溫構(gòu)件承受的一種比較常見的損傷形式。從失效管材斷口的高倍照片（圖2（d））中也可看出，沿晶開裂后的裂紋表面部分區(qū)域存在蠕變空洞，具有明顯的疲勞蠕變斷裂特征。關(guān)于奧氏體不銹鋼的疲勞－蠕變交互作用性能國內(nèi)外都有大量的研究報道［4，5，7，8］，研究表明，600℃下當(dāng)拉保持時間較長時（蠕變作用更明顯），在較大應(yīng)變量下，材料最快在幾十個加載循環(huán)之后就會失效，而在中等應(yīng)變時疲勞壽命也只有數(shù)百個周期。在鍋爐升降溫和穩(wěn)定運行過程中，熱應(yīng)力變化較大，爐管彎頭承受高溫疲勞－蠕變交互作用，導(dǎo)致在應(yīng)力集中程度最高的局部首先開裂。這樣的受力條件對材料來講是十分苛刻的，要求材料有較好的力學(xué)性能，并且結(jié)構(gòu)中應(yīng)盡量減少或避免缺陷的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

爐管材料微觀組織的變化不明顯，晶間沒有明顯的析出相，爐管材料的化學(xué)成份也沒有發(fā)生明顯變化，說明開裂的主要原因不是過熱和氫腐蝕。裂紋穿晶萌生，沿晶擴展，是典型的疲勞－蠕變交互作用下的斷裂模式；氫對裂紋的萌生與擴展可能有一定促進作用，但并不是導(dǎo)致爐管開裂的主要原因。爐管材料的硬度、沖擊韌性和拉伸性能都沒有明顯下降，損傷形式主要表現(xiàn)為熱應(yīng)力和熱變形引起的高溫疲勞－蠕變交互作用損傷，這也是導(dǎo)致爐管開裂的主要原因。

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