第27卷第6期腐蝕與防護(hù)Vol. 27 No 62006年6月corrosion & protectionJune 2006失效分析重催CO過熱器爐管失效分析劉鈞泉,熊文英,夏延燊21.華南理工大學(xué)工業(yè)裝備與控制工程學(xué)院,廣州510640;2.中石化廣州分公司,廣州510726)摘要:材質(zhì)為1 CrlMov的重催CO高溫加熱爐管,在服役25000h后發(fā)生脹管破裂。采用電鏡、X射線、金相等測(cè)試技術(shù)對(duì)失效的原因進(jìn)行分析后,判斷本起失效的原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間低幅度超溫運(yùn)行導(dǎo)致的蠕變開裂關(guān)鍵詞:加熱爐;12 CrI Mov;失效分析;高溫蠕變中圖分類號(hào):TG172文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1005-748X(2006)06-0317-03FAILURE ANALYSIS OF SUPERHEATER TUBES IN CATALYTICREFORMING CARBON MONOOXIDELIU Jun-quan', XIONG Wen-ying, XIA Yan-shen(l. College of Industry Equipment and Control Engineering in South China University of Technology, Guangzhou 510640, China2. China Petroleum &. Chemical Corpration Guangzhou Branch, Guangzhou 510726,ChinaAbstract: The superheater tubes for catalytic reforming CO made of 12Crl MoV steel were broken after being usedfor 25000 hours. The reason of failure was analyzed by TEM,x-tallographical examination. It isconcluded that this failure was caused by creep and cracking at a relatively high temperature for a long time.1概況為30t/h,實(shí)際產(chǎn)蒸汽量為20t/h左右。該過熱器投入使用約2500h,已有多根管子先后破裂某石化公司的重催CO高溫過熱器爐管采用12Cr1MoV制造,管徑尺寸為38mm×4mm。加熱2檢測(cè)及結(jié)果器設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示針對(duì)本起失效,采用宏觀形貌觀察、垢層能譜分過熱蒸汽高溫過熱器水包析、Ⅹ射線對(duì)垢層的物相分析、金相觀察以及常溫拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)失效管件進(jìn)行檢測(cè)(1)宏觀形貌觀察失效管件鼓脹破口處的形>煙氣貌如圖2所示。管件沿軸向發(fā)生脹破,破口周圍剝?nèi)パ趸瘜雍罂梢娫S多平行于軸向的未穿透的裂紋低溫過熱器形貌如老樹皮。破口邊緣粗糙、不平整。軸向裂紋和破口已經(jīng)長(zhǎng)銹。鼓脹處內(nèi)表面膜層厚約為2mm,如圖3所示。對(duì)未脹破的管件的管徑及壁厚進(jìn)行測(cè)爐膛量,發(fā)現(xiàn)其管徑普遍脹大,除去內(nèi)外膜層后余下金屬圖1重催CO加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)基材厚度約為2~3mm。圖中水包中的水經(jīng)過水加熱器加熱到約100C(2)垢層分析爐管外表面附有膜層,厚度約左右后,進(jìn)入低溫過熱器端加熱成飽和水蒸汽,然后為0.2mm。對(duì)外膜層進(jìn)行能譜分析,主要元素為經(jīng)過高溫過熱器使飽和蒸汽加熱為過熱蒸汽。爐膛鐵、中國(guó)煤化工甲、錳等元素溫度約為1077℃,高溫過熱器爐管內(nèi)蒸汽溫度為CNMH〔密膜,這層垢膜堅(jiān)硬而445℃,管內(nèi)壓力為3.6MPa。出口端設(shè)計(jì)產(chǎn)蒸汽量脆厚度一般在1~2mm左右,有些部位厚度達(dá)到2.5mm,能譜分析這層物質(zhì)主要成分為鐵元素,X收稿日期:2005-08-08;修訂日期:2005-09-09射線衍射分析表明這層黑色膜的主要組成為FeO劉鈞泉等:重催CO過熱器爐管失效分析2形貌如老樹皮的外表面4管件脹破處附近顯微組織,杰圖3內(nèi)表面垢層約2mm圖5管徑脹大的管件顯微組織和Fe3O機(jī)對(duì)管徑脹大但未破裂的兩管件(編號(hào)分別為1#和(3)材質(zhì)成分分析用直讀光譜對(duì)脹破管件的2)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。表中同時(shí)給出正常成分進(jìn)行分析,并與GB5310標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較,結(jié)果的12Cr1MⅤ材料在20C和550℃時(shí)的拉伸性見表能,GB5310-1995《高壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定的表1脹破管件主要成分管爐管沒有發(fā)生脹破失效,但其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于正項(xiàng)目(%下限值也列于表2以作比較。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,盡常的12 CrlMov的強(qiáng)度,甚至低于規(guī)定的下限值破管件0.040.190.5990.270.06800影彩身25~0.15~表2拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較0.150.370.71.200.350.3抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度伸長(zhǎng)率項(xiàng)目MPa表1可見,C、V元素顯著低于標(biāo)準(zhǔn)值,其它主1#管件365255要元素在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。2#管件(4)顯微組織分析在脹破管件破口附近沿管20℃時(shí)的正常值徑方向切一剖面,觀察其顯微組織,結(jié)果見圖4。同550C時(shí)的正常值GB5310-1995規(guī)定的下限值470~640≥25521時(shí)對(duì)尚未脹破的管件切取試樣,同樣沿管徑方向切剖面進(jìn)行金相觀察,結(jié)果見圖53失效類型和原因分析從圖中可以看出,脹破處附近的組織特征為晶粒大小不均,部分晶粒粗大,晶界較粗,珠光體區(qū)域本案例中多根爐管使用三年即發(fā)生破裂現(xiàn)象內(nèi)碳化物已明顯分散,沿晶界析出并成小球體。球?qū)嶋H壽命低于設(shè)計(jì)壽命,屬提前失效現(xiàn)象。在溫度化等級(jí)為中度球化。未脹破管件的晶粒尚較均勻,和中國(guó)煤化工生爆管失效的類型常但某些晶界較粗觀察到珠光體內(nèi)的碳化物部分球有口CNMHG生破口,其宏觀形貌?；?其球化等級(jí)為輕度球化。為撕裂狀韌性口爆管口多呈喇叭狀2],邊緣鋒(5)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試按照GHB228-1987《金屬利,破口壁減薄,有很大的塑性變形,這一類型的失拉伸試驗(yàn)方法》,在常溫下用CM-15504電子拉伸效是短期大幅度超溫的結(jié)果;另一類失效是長(zhǎng)期處318劉鈞泉等:重催CO過熱器爐管失效分析于超溫幅度不大旳情況下運(yùn)行,管材蠕變變形過量蒸氣使FeCr合金的髙溫氧化顯著加速,內(nèi)壁氧而導(dǎo)致爆裂,其破口具有蠕變開裂的特征,本起失效化膜層不斷增厚。氧化膜的導(dǎo)熱系數(shù)僅為母材金屬宏觀形貌觀察到的多條平行于軸向的小裂紋伴隨—的十幾分之一,因此管子的傳熱性能惡化,盡管管內(nèi)個(gè)邊緣粗糙的裂口,外表不平整呈老樹皮狀的形貌蒸汽溫度為445C,但由于管內(nèi)壁有達(dá)2mm厚導(dǎo)熱屬于典型的過量蠕變變形失效_3性差的氧化層,管外壁的溫度完全可能超出原設(shè)計(jì)雖然各類金屬材料在高溫和應(yīng)力條件下服役的溫度,這就使加熱管蠕變速率增加,提前發(fā)生蠕變時(shí),或多或少會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象,但一般來說,當(dāng)操作變形過量,在管內(nèi)壓力作用下出現(xiàn)破管。溫度不超出設(shè)計(jì)溫度時(shí),這種蠕變變形速度十分緩4結(jié)論慢,總的蠕變量在材料的蠕變極限之內(nèi),其值是很小的。根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50316(1)本起提前失效屬于過量蠕變導(dǎo)致的開裂失2000,設(shè)計(jì)溫度是按每工作1000,管道變形不超效。過0.01%的要求來選定的。換算為25000h,總變形(2)造成過量蠕變的原因是長(zhǎng)期低幅度超設(shè)計(jì)量應(yīng)不超過0.25%。觀察失效的管件,變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)溫度運(yùn)行導(dǎo)致材料珠光體球化,抗拉強(qiáng)度下降。超過此值。如此之大的蠕變量只有在操作溫度高于3)引起外管壁超溫的原因是管內(nèi)壁在高溫水原設(shè)計(jì)溫度下才可能發(fā)生,所以失效的直接原因可蒸氣中氧化生成過厚的導(dǎo)熱不良的氧化層推斷為長(zhǎng)時(shí)間低幅度超設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行。圖4和圖5參考文獻(xiàn):顯微圖支持這一推斷。爐管所用的12Cr1MoⅤ屬[1]李俊林,等.鍋爐用鋼及其焊接[M.黑龍江科學(xué)技術(shù)珠光體熱強(qiáng)鋼,適用于壁溫≤580C的受熱面管,其出版社,198供貨狀態(tài)的顯微組織應(yīng)為鐵素體十片狀珠光體。而[2]王鳴,唐建輝,12CrMoⅤ過熱器管爆破失效分析破裂或尚未破裂的管子的顯微組織都觀察到球化的J].福建電力與電工,1999,19(3):58~59珠光體表明管件運(yùn)行過程中長(zhǎng)時(shí)間受較高溫度作3]廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出用,從而有足夠能量使碳化物析岀聚集、長(zhǎng)大,逐漸版社,2003變?yōu)榍驙?材料的熱強(qiáng)性也隨珠光體球化增加而下[4]李祿臣,牛曉光,高寶林.12 CrlMov鋼不同球化級(jí)別降。表2的拉伸測(cè)試結(jié)果可進(jìn)一步證實(shí)上述的高溫性能及壽命[J].河北電力技術(shù),1997,16(7)40~4結(jié)論。[5]王正品,張路,等.電站用T22及與T91管高溫蒸汽至于造成長(zhǎng)時(shí)間低幅度超設(shè)計(jì)溫度運(yùn)行的原因氧化的失效分析[J].鑄造技術(shù),2004,25(7):523顯然與內(nèi)壁較厚的黑色氧化層有關(guān)。加熱管內(nèi)的水(上接第298頁)(5)在長(zhǎng)期使用后,溶液顯墨綠色,這時(shí)清洗效術(shù),1990,19(3):1~5果及速度都將受到影響,可以加入三分之一的新溶3胡正前,張文華.不銹鋼表面氧化皮的清除[J.表面液,繼續(xù)使用技術(shù),1997,26(5):20~21(6)使用后的廢液必須經(jīng)過處理后才能排放[4]諸震鳴.淺談不銹鋼磷酸處理法[J.電鍍與涂飾998,17(4):5否則將對(duì)周邊環(huán)境造成污染5]陶映初.鋼鐵材料酸洗化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,參考文獻(xiàn)[6]張火興,黎曉桃.冷凝管表面清洗劑的探討[J.上海1]王慶余.不銹鋼、耐熱合金鋼氧化皮的酸洗[J].電鍍有色金屬,2002,23(3):118與精飾,1987,9(6):42~44中國(guó)煤化工支常溫快速清洗液的研制2]吳庭祿,等.鋼鐵表面漆前處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]CNMHG