樊 钊,徐 伟,陈伟民,王光辉

(国核电站运行服务技术有限公司,上海 ２００２３３)

摘 要:利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、拉伸及冲击试验机等对服役１５a的制氢转化炉中HP４０Nb钢炉管的显微组织和力学性能进行了研究,依据高温持久试验结果估算了炉管剩余寿命.结果表明:长期高温服役后,炉管钢组织中晶界粗化并有 G 相析出,晶内二次碳化物析出明显,近内壁、近外壁和基体中均出现蠕变孔洞,近内壁和近外壁发生氧化和贫铬,外壁形成脱碳层;与原始铸态炉管相比,长期高温服役后炉管的室温抗拉强度降幅超３０％,高温抗拉强度降幅约１８％,室温冲击功下降明显,剩余寿命不足１a.

关键词:转化炉炉管;HP４０Nb钢;显微组织;G 相;剩余寿命

中图分类号:TG１４２．７３;TE９６３;TQ０５２．６ 文献标志码:A 文章编号: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

制氢转化炉是炼油厂制氢装置的核心设备,其辐射段炉管使用的材料大多为 HP４０Nb钢[１].该类辐射段炉管为离心铸造管,钢中镍质量分数约为３５％,同时含有质量分数约１％的铌元素,具有良好的抗渗碳、抗高温蠕变和抗氧化等性能[２].然而,在长期高温服役过程中,炉管材料不可避免地会发生劣化,影响转化炉的安全可靠运行.目前,相关研究大多集中在炉管的开裂原因分析、蠕变性能研究和剩余寿命评估等方面[３Ｇ８],而对炉管材料在长期高温服役后的组织转变以及这种转变与炉管力学性能和剩余寿命的关系研究较少.为此,作者对服役１５a的制氢转化炉辐射段用 HP４０Nb钢炉管的显微组织进行了分析,并研究了其力学性能及炉管的剩余寿命.

１ 试样制备与试验方法

１．１ 试样制备

试验 材 料 取 自 某 炼 油 厂 制 氢 转 化 炉 辐 射 段HP４０Nb钢炉管,规格为?１２７ mm×１２ mm,其化学成分见表 １,满足 HG/T２６０１－２０１１ 的指标要求.该制氢转化炉为顶烧箱式加热炉,１９９９年投入使用,累积运行时间超过１５a,其设计使用温度为９５０ ℃,实际最高运行温度为９２０ ℃,炉管内最高工作压力为２．３MPa.取１根炉管的两段进行对比研究,一段位于炉管顶部法兰下方,简称１＃ 管.由于炉顶保温层的存在和高温运行时炉管发生热膨胀向上伸缩,１＃ 管未经历炉膛内高温,其显微组织及力学性能接近铸造炉管的原始状态.另一段距炉管顶部法兰３．５m 处,简称２＃ 管.２＃ 管位于顶烧箱式加热炉外焰喷射处,其管壁温度在整根炉管中最高.

１．２ 试验方法

在１＃ 管、２＃ 管上分别切取表面尺寸为１５mm×１５mm 的金相试样,经粗磨、细磨、抛光后,用５g三氯化铁＋５０mL盐酸＋１００mL水组成的混合溶液腐蚀,采用 蔡 司 AxioImagerA２m 型 光 学 显 微 镜(OM)、FEIQuanta４５０FEG型扫描电镜(SEM)观察其显 微 组 织,用 SEM 附 带 的 OXFORD AztecXＧMAX５０型能谱分析仪(EDS)分析微 区 成 分.根据 GB/T２２８．１－２０１０和 GB/T４３３８－２００６,分别在１＃ 管、２＃ 管的向火面及 背 火 面 截 取 拉 伸 试 样,在 ZWICK/RoellZ２５０ 型 万 能 试 验 机 上 进 行 室 温(２３ ℃)及 高 温 (９５０ ℃)拉 伸 性 能 试 验,试 样 长７０mm,标距段尺寸为?５ mm×２５ mm,拉伸速度为２mm??min－１,高温拉伸试验前试样在９５０ ℃保温１０min.根据 GB/T２２９－２００７,分别在１＃ 管、２＃ 管的 向 火 面 及 背 火 面 截 取 夏 比 冲 击 试 样,在SANSZBC２０００型金属摆锤冲击试验机上进行夏比冲 击 试 验,试 验 温 度 为 ２３ ℃,试 样 的 尺 寸 为１０mm×７．５mm×５５mm.根据 GB/T２０３９－１９９７,在 RCＧ１１３０A 型高温持久蠕变试验机上对２＃ 管试样进行高温持久试验,试验温度为９５０℃,试样规格为 ?８ mm,标 距 为 ４０ mm,应 力 范 围 为 ２０~５０MPa.

２ 试验结果与讨论

２．１ 显微组织

由图１可知,１＃ 管横截面中心的显微组织为奥氏体＋共晶碳化物,晶界呈骨架状分布,基体上无析出物或其他相生成,可视为 HP４０Nb钢的原始铸态组织.结合表２分析可知:由共晶碳化物构成的晶界由两种碳化物组成,在 OM 下呈深灰色、SEM 下呈亮白色的组织为含铌碳化物,即 NbC;而在 OM下呈亮白色、SEM 下呈深灰色的组织为含铬碳化物,以 M２３C６ 相为主,与文献[９Ｇ１３]报道一致.由表２还可看出:位置３处的铬质量分数为２４．７％,与表１中的铬含量基本一致,即位置３处为奥氏体基体;铌质量分数仅为０．２％,说明铌元素主要分布在晶界上.

由图２可知:在２＃ 管横截面中心的组织中,晶界上的一次碳化物呈链状和条状,与铸态组织(１＃管)相比,２＃ 管的晶界粗大,分布不连续;在距内表面约４mm 处,２＃ 管中存在蠕变孔洞,蠕变孔洞主要沿一次碳化物边缘析出,孔洞直径为３~５μm.结合表３分析可知:晶界上暗黑色组织(位置４)为富铬 的 M２３ C６,浅 灰 色 组 织 (位 置 ５)为富 铌相,该相为含铌、镍、硅的化合物,推测为G相属 NbC高温转变析出相,与文献[１１,１３Ｇ１５]报道一致;奥氏体晶粒内有一定量的二次碳化物(位置６)析出,该碳化物为富铬碳化物,呈方形或针状弥散分布在晶粒内,而非集中在晶界附近区域,部分晶界边缘二次碳化物较少,晶粒内二次碳化物已长大粗化,最大直径约３μm;奥氏体基体(位置７)中铬质量分数为２３．３％,较１＃ 管中的略有减少.

图３ ２＃ 管横截面近外壁和近内壁的显微组织

Fig.３ Microstructuresatcrosssectionnearouterandinnerwallof２＃ tube a－b OMandSEMimagesnearouterwall

and c－d OMandSEMimagesnearinnerwall