長(zhǎng)期高溫服役后HP40Nb鋼爐管的組織及剩余壽命

制氫轉(zhuǎn)化爐是煉油廠制氫裝置的核心設(shè)備，其輻射段爐管使用的材料大多為HP40Nb鋼。該類輻射段爐管為離心鑄造管，鋼中鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為35%，同時(shí)含有質(zhì)量分?jǐn)?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。然而，在長(zhǎng)期高溫服役過(guò)程中，爐管材料不可能避免地會(huì)發(fā)生劣化，影響轉(zhuǎn)化爐的安全可靠運(yùn)行。目前，相關(guān)研究大多集中在爐管的開(kāi)裂原因分析、蠕變性能研究和剩余壽命評(píng)估等方面，而對(duì)爐管材料在長(zhǎng)期高溫服役后的組織轉(zhuǎn)變以及這種轉(zhuǎn)變與爐管力學(xué)性能和剩余壽命的關(guān)系研究較少。為此，有科研人員對(duì)服役15a的制氫轉(zhuǎn)化爐輻射段用HP40Nb鋼爐管的顯微組織進(jìn)行了分析，并研究了其力學(xué)性能以及爐管的剩余壽命。

試驗(yàn)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Φ127mm×12mm，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.40C，1.04Mn，1.14Si，0.006S，0.015P，0.029Mo，25.30Cr，34.83Ni，0.86Nb，余量Fe，滿足HG/T2601-2011的指標(biāo)要求。取根爐管的兩段進(jìn)行對(duì)比研究，一段位于爐管頂部法蘭下方，簡(jiǎn)稱1#管。由于爐頂保溫層的存在和高溫運(yùn)行時(shí)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(xué)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(jiǎn)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。

在1#管、2#管上分別切取表面尺寸為15mm×15mm的金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察其顯微組織，用SEM附帶的能譜分析儀分析微區(qū)成分。根據(jù)GB/T228.1-2010和GB/T4338-2006，進(jìn)行室溫（23℃）和高溫（950℃）拉伸性能試驗(yàn)。根據(jù)GB/T229-2007進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為23℃。根據(jù)GB/T2039-1997對(duì)2#管試樣進(jìn)行高溫持久試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為950℃。結(jié)果表明：

（1）經(jīng)15a高溫服役后，制氫轉(zhuǎn)化爐爐內(nèi)高溫段爐管發(fā)生了嚴(yán)重的性能劣化，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、近外壁和基體中均有蠕變空洞產(chǎn)生，近內(nèi)壁、近外壁處還發(fā)生了氧化和貧鉻，爐管近外壁形成了脫碳層。

（2）與原始鑄態(tài)爐管相比，長(zhǎng)期高溫服役后爐管的室溫抗拉強(qiáng)度降幅超過(guò)30%，高溫抗拉強(qiáng)度降幅約18%，室溫沖擊功也明顯下降。

（3）當(dāng)在最高溫度為920℃工況下運(yùn)行時(shí)，該HP40Nb鋼爐管的剩余壽命不足1a。