常壓爐爐管抱卡斷裂原因分析

孫全勝

(中國石化股份有限公司天津分公司裝備研究院，天津 300270)

一、前言

某常減壓裝置常壓爐爐膛溫度＞700℃，2012年3月發現常壓爐部分爐管抱卡斷裂脫落。2012年9月大修時將其從加熱爐中取出，發現斷裂處均為抱卡懸臂根部，抱卡斷口已銹蝕。爐管拉鉤及抱卡斷裂位置如圖1所示。爐管采用吊裝，底部可自由伸縮，爐管規格為152mm×8mm，材質為Cr9Mo，高度約15m，抱卡位置在約6m高處。抱卡斷裂數量9個，其中6個位于10#燃燒嘴上方，燃料為液化氣脫硫醇尾氣。

二、斷口檢測與分析

(1)宏觀分析。

圖1 爐管拉鉤及抱卡斷裂位置

斷口上有明顯的鑄造缺陷，斷口表面粗糙不平，無明顯的塑性變形，屬脆性斷裂。

將斷口氧化層打磨后，可以看到抱卡斷口表面有多處裂紋，這是斷裂的重要原因。

9個斷口中有6個均對著10#燃燒嘴，其所燃液化氣脫硫醇尾氣的主要成分是H、空氣、硫化物。抱卡材質為ZGCr25Ni12，由于鐵的氧化物和硫化物具有較低共熔點，熔融后的混合物能滲入晶粒間造成金屬的腐蝕，因此會增加氧化速度。同樣，鎳和以鎳為主的合金與含硫的高溫煙氣反應，能夠生成Ni-Ni3S2的低熔混合物，這種混合物在625℃左右就會熔融，并從晶粒邊緣對金屬進行腐蝕破壞。

(2)常規力學性能測試。

依據國家標準《GB/T228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法》 制備合金鑄鋼Cr25Ni12的拉伸試樣。試樣直徑為5mm(圖2)，試樣斷口為L1和L2(圖3)，拉伸試驗結果見表1。

圖2 拉伸試樣

圖3 拉伸試樣斷口

由圖3可見，2個試樣均存在嚴重的鑄造缺陷。

表1 鑄鋼Cr25Ni12試樣拉伸試驗數據(20℃)

鑄鋼Cr25Ni12試樣的抗拉強度最低值為269.5MPa。表中同時給出了GB/T8492—2002一般用途耐熱鋼和合金鑄件ZG40Cr25Ni12Si2的參考值，抱卡材料的抗拉強度大大低于參考值。

(3)化學成分檢測。

從抱卡斷口附近取樣進行化學成分分析，檢驗結果(質量分數)列于表2。表中同時列出GB/T8492—2002一般用途耐熱鋼和合金鑄件ZG40Cr25Ni12Si2的參考成分。分析結果表明，合金元素的含量與參考成分相近，只有C的含量偏低，而拉伸試樣L1的斷口局部C含量達到6.12%(表4)。說明存在嚴重的成分偏析。

表2 Cr25Ni12鋼化學分析報告

(4)微觀斷口檢測分析。

①原始斷口微觀檢測分析

對原始斷口表面進行了SEM形貌觀察和EDS能譜分析。由于斷口表面已發生嚴重氧化，因此SEM形貌看不到細部斷裂特征。圖4和表3為原始斷口EDS能譜分析結果，O的含量高達到了17.51%，表明斷口氧化嚴重。同時S的含量也達到了2.26%，說明煙氣含硫較高，使斷口表面產生硫化物。

圖4 原始斷口EDS能譜分析

表3 原始斷口表面化學成分 %

②拉斷試樣斷口微觀檢測分析

對拉伸試樣L1的三個位置(圖5)進行SEM形貌觀察和EDS能譜分析。

圖5 拉伸試樣斷口L1取樣觀察位置

圖6為L1斷口的整體SEM形貌，斷口上存在明顯的宏觀缺陷，缺陷位置呈黑色孔洞。1位置處已產生嚴重氧化層，并且斷口表面有垂直方向的微裂紋；2位置斷口呈河流狀花紋，穿晶解理斷裂；3位置斷口平坦，為穿晶解理斷裂。

圖6 L1整體斷口SEM形貌58x

圖7和表4為1位置的EDS能譜分析結果，此處的O和C含量很高，分別達到9.16%和6.12%，表明黑色應為析出的石墨并且有氧化物存在。同時S的含量也達到了1.40%，金屬內部產生了硫化，導致拉伸試樣強度偏低。

圖8和表5為3位置的EDS能譜分析結果，Cr含量偏高，Ni含量偏低，說明鑄造時存在化學成分偏析現象。

同樣對拉伸試樣L2進行SEM形貌觀察和EDS能譜分析，L2斷口SEM形貌與L2相同為穿晶解理斷裂，且存在大面積的疏松組織，這正是該試樣拉伸強度低的原因。EDS能譜分析結果，同樣Cr含量偏高，Ni含量偏低，說明鑄造時存在化學成分偏析現象。

三、結論

(1)材料有嚴重的鑄造缺陷(孔洞、氣孔、夾雜及裂紋)和嚴重的成分偏析等，導致抗拉強度較低，耐腐蝕性能差。

圖7 L1-1的EDS能譜分析

表4 L1-1斷口表面化學成分

圖8 L1-3的EDS能譜分析

表5 L1-3斷口表面化學成分 %

(2)失效抱卡位于燃燒液化氣脫硫醇尾氣燒嘴上方，其含硫量較高，鐵的氧化物和硫化物具有比較低的共熔點，同樣，鎳和以鎳為主的合金與含硫的高溫煙氣反應，能夠生成Ni-Ni3S2的低熔混合物。熔融后的混合物能滲入晶粒間造成金屬的腐蝕，產生從邊緣向內擴展的裂紋。并在高溫、振動的條件下導致抱卡應力腐蝕斷裂。

四、對策

針對本次爐管抱卡斷裂問題提出如下建議。

(1)不要使用未經脫硫的燃料氣。

(2)爐管抱卡斷裂與其材質存在鑄造缺陷密切相關，因此需嚴格檢驗。