陳 濤，陳學(xué)東，呂運容，艾志斌，范志超

(合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031)

0 引言

離心鑄造高Ni高Cr耐熱合金廣泛用作乙烯裂解爐爐管材料，其設(shè)計溫度高達(dá)1150℃［1－4］，乙烯裂解爐爐管的兩種典型材質(zhì)分別為25Cr35NiNb和35Cr45NiNb。對于25Cr35NiNb爐管，典型化學(xué)成分見表1;對于35Cr45NiNb爐管，典型化學(xué)成分見表2。

表1 25Cr35NiNb爐管化學(xué)成分 %

表2 35Cr45NiNb爐管化學(xué)成分 %

目前，乙烯裂解爐管和管件制造、檢驗等依據(jù)HG/T 2601—2011《高溫承壓用離心鑄造合金爐管》［5］、HG/T 3673—2011《靜態(tài)鑄造高溫承壓爐用附件》［6］以及 ASTM A608《Standard specification for centrifugally cast iron－chromium－nickel high－alloy tubing for pressure application at high temperatures》［7］等標(biāo)準(zhǔn)。此外，目前對于離心鑄造爐管，各裝置設(shè)計方均有專利技術(shù)，并且在某些指標(biāo)上明顯高于HG/T 2601—2011，對于有害元素的要求:S≤0.03%，P≤0.03%，Pb≤100 ppm，As≤100 ppm，Sn≤100 ppm;對于高溫持久性能，要求25Cr35NiNb爐管材料在1100℃，17 MPa條件下持久壽命≥120 h，35Cr45NiNb爐管材料在1100℃，16 MPa條件下持久壽命≥120 h。

按照API 530要求，加熱爐爐管設(shè)計壽命應(yīng)為105h(約11.4年)，然而我國乙烯裂解爐管壽命僅為3～5 年，早期失效更是屢見不鮮［8－9］，與國外乙烯裂解爐管壽命平均8年左右有很大差距。為了應(yīng)對國產(chǎn)乙烯裂解爐管使用壽命短的現(xiàn)狀，為煉化裝置長周期安全運行提供保障，中國石化在合肥通用機械研究院成立了“中國石化爐管質(zhì)量檢測檢驗與評估中心”(以下簡稱中國石化爐管中心)，旨在對新制造爐管和在役爐管開展檢測檢驗與評估工作。兩年多來，中國石化爐管中心依據(jù)復(fù)檢辦法對新制造爐管的抽樣檢測主要開展了常量元素化學(xué)成分分析、痕量元素化學(xué)成分分析、室溫拉伸試驗、高溫持久壽命試驗以及金相低倍酸蝕等試驗，工作中發(fā)現(xiàn)了諸多問題。該統(tǒng)計涵蓋了目前國內(nèi)爐管制造廠生產(chǎn)的25Cr35NiNb材質(zhì)的64根離心鑄造爐管、15根焊接件和16根管件和35Cr45NiNb材質(zhì)的77根離心鑄造爐管、9根焊接件和11根管件。據(jù)此期望得到當(dāng)前國內(nèi)爐管質(zhì)量水平的統(tǒng)計規(guī)律，為標(biāo)準(zhǔn)的修訂提供重要依據(jù)，進一步提高行業(yè)內(nèi)對爐管質(zhì)量的重視，切實提高乙烯裂解爐管使用壽命，減少非計劃停車，從而達(dá)到乙烯裂解裝置的長周期安全運行。

1 離心鑄造爐管

1.1 25Cr35NiNb 爐管

1.1.1 P，S 成分分析

圖1 25Cr35NiNb爐管P元素含量

圖2 25Cr35NiNb爐管S元素含量

國內(nèi)爐管制造廠均采用直讀光譜儀進行爐前分析，在有恰當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)樣品的情況下，可以對爐管的主元素，如 C，Si，Mn，Cr，Ni，Nb 等進行控制，因此，本節(jié)中沒有給出上述元素的統(tǒng)計值，而是主要對材料抗蠕變性能起劣化作用的P和S雜質(zhì)元素進行統(tǒng)計。圖1，2示出了25Cr35NiNb爐管的P，S的化學(xué)成分情況?？梢钥闯觯?1%的國產(chǎn)25Cr35NiNb爐管P含量小于0.020%，83%的爐管S含量小于0.012%。

1.1.2 痕量元素化學(xué)成分分析

針對25Cr35NiNb爐管，主要測試了砷(As)、錫(Sn)、鉛(Pb)、鉍(Bi)等痕量元素化學(xué)成分。圖3 ～6 示出了25Cr35NiNb爐管 As，Sn，Pb，Bi元素的化學(xué)成分。

圖3 25Cr35NiNb爐管As元素含量

圖4 25Cr35NiNb爐管Sn元素含量

可以看出，痕量元素含量范圍為:As:2.9～41.2 ppm;Sn:2.7 ～ 27.3 ppm;Pb:1.2 ～ 40.1 ppm;Bi:0.001 ～1.2 ppm。

圖5 25Cr35NiNb爐管Pb元素含量

圖6 25Cr35NiNb爐管Bi元素含量

1.1.3 室溫拉伸試驗

25Cr35NiNb爐管材料的室溫拉伸試驗記錄了屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率3個指標(biāo)，如圖7，8所示。

圖7 25Cr35NiNb爐管屈服強度和抗拉強度

圖8 25Cr35NiNb爐管斷后伸長率A

可以看出，25Cr35NiNb材料屈服強度實測范圍為240～330 MPa，相對240 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;抗拉強度實測范圍為473～610 MPa，相對450 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;斷后伸長率實測范圍為7% ～22.5%，相對8%標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為98.4%。國產(chǎn)爐管的室溫拉伸性能基本能夠滿足要求。

1.1.4 高溫持久試驗

依據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，對抽樣的25Cr35NiNb爐管材料開展了1100℃，17 MPa條件下的高溫持久性能試驗，記錄其高溫持久壽命，試驗結(jié)果如圖9所示，其中標(biāo)識三角形的數(shù)據(jù)是到達(dá)120 h后未斷裂。可以看出，25Cr35NiNb爐管材料高溫持久壽命差異較大，持久壽命最小值為8 h，最大值427.4 h，相對120 h標(biāo)準(zhǔn)值的合格率僅為90.6%，離合格尚存在差距。

圖9 25Cr35NiNb爐管高溫持久壽命

1.1.5 低倍組織酸蝕試驗

乙烯裂解爐管采用離心鑄造工藝，金屬凝固首先從最外層金屬模壁開始，逐漸向內(nèi)表面形成方向性的結(jié)晶。一般爐管最外層是一層細(xì)等軸晶，中間是粗大的柱狀晶，內(nèi)壁是較粗大的等軸晶;但是爐管的宏觀晶型有時全是柱狀晶，有時是二層柱狀晶中間夾著一層等軸晶(雙向結(jié)晶)。目前，對柱狀晶比例的要求并不統(tǒng)一，通常情況下，乙烯裂解爐輻射段管技術(shù)協(xié)議中低倍組織酸蝕試驗要求柱狀晶比例大于70%以上。在25Cr35NiNb爐管材料橫截面選取金相環(huán)進行低倍組織酸蝕試驗，觀察柱狀晶與等軸晶的比例，統(tǒng)計結(jié)果見表3?？梢钥闯?，25Cr35NiNb爐管材料橫截面柱狀晶比例大于70%以上的占到87%。

表3 25Cr35NiNb爐管低倍組織酸蝕結(jié)果 %

1.2 35Cr45NiNb 爐管

1.2.1 P 和 S成分分析

圖10，11示出了35Cr45NiNb爐管的 P，S的化學(xué)成分情況?？梢钥闯?，國產(chǎn)35Cr45NiNb爐管，83%的爐管P含量低于0.020%，96%爐管的S含量低于0.010%。

圖10 35Cr45NiNb爐管P元素含量

圖11 35Cr45NiNb爐管S元素含量

1.2.2 痕量元素化學(xué)成分分析

對于35Cr45NiNb爐管痕量元素，主要測試了As，Sn，Pb，Bi等痕量元素化學(xué)成分。圖 12 ～15示出了 35Cr45NiNb 爐管 As，Sn，Pb，Bi元素的化學(xué)成分。

圖12 35Cr45NiNb爐管As元素含量

圖13 35Cr45NiNb爐管Sn元素含量

圖14 35Cr45NiNb爐管Pb元素含量

圖15 35Cr45NiNb爐管Bi元素含量

可以看出，各痕量元素含量范圍為:As:4.9～39.0 ppm;Sn:0.6 ～ 24.4 ppm;Pb:1.6 ～ 35.4 ppm;Bi:0.001 ～2.5 ppm。

1.2.3 室溫拉伸試驗

35Cr45NiNb爐管材料的室溫拉伸試驗記錄了屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率3個指標(biāo)，如圖16，17所示?？梢钥闯?，35Cr45NiNb材料屈服強度實測范圍為270～387 MPa，相對235 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;抗拉強度實測范圍為505～680 MPa，相對440 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;斷后伸長率實測范圍為4.0% ～18.5%，相對5%標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為93.5%。當(dāng)前國產(chǎn)爐管的室溫拉伸性能基本能夠滿足技術(shù)協(xié)議要求。然而，盡管35Cr45NiNb爐管材料的斷后伸長率指標(biāo)為5%，較25Cr35NiNb爐管材料的8%低，但是35Cr45NiNb爐管材料室溫拉伸性能不合格的5根爐管中，全部是由于斷后伸長率不足引起的。

圖16 35Cr45NiNb爐管屈服強度和抗拉強度

圖17 35Cr45NiNb爐管斷后伸長率A

1.2.4 高溫持久試驗

依據(jù)技術(shù)協(xié)議要求，對35Cr45NiNb爐管材料進行了1100℃，16 MPa條件下的高溫持久性能，記錄其高溫持久壽命。試驗結(jié)果見圖18，其中三角形的數(shù)據(jù)是到達(dá)120 h后未斷裂的。可以看出，35Cr45NiNb爐管材料高溫持久壽命實測最小值10.21 h，最大值 280.4 h，相對 120 h 標(biāo)準(zhǔn)值的合格率僅為82.7%，離合格尚存在較大差距。相對比25Cr35NiNb爐管材料的高溫持久壽命來看，35Cr45NiNb爐管材料的高溫持久壽命合格率更低，而且穩(wěn)定性較差。

圖18 35Cr45NiNb爐管高溫持久壽命

1.2.5 低倍組織酸蝕試驗

在35Cr45NiNb爐管材料橫截面選取金相環(huán)進行低倍組織酸蝕試驗，觀察柱狀晶與等軸晶的比例，統(tǒng)計結(jié)果如表 4所示。可以看出，35Cr45NiNb爐管材料橫截面柱狀晶比例大于70%以上的占91%。

表4 35Cr45NiNb爐管低倍組織酸蝕結(jié)果 %

2 離心鑄造爐管焊接件

由于離心鑄造爐管受制造工藝所限，每根爐管最長4～5 m，因此輻射盤管是由多根爐管焊接而成的。乙烯裂解爐管技術(shù)協(xié)議中一般規(guī)定每根輻射盤管的最多焊縫數(shù)量，而且要求化學(xué)成分、均與母材相當(dāng)。因此，本節(jié)中也統(tǒng)計了焊縫材料的化學(xué)成分、室溫拉伸性能和高溫持久壽命的試驗結(jié)果。

圖19，20示出25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管的焊縫金屬的P和S成分分析結(jié)果。

圖19 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管P含量

圖20 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管S含量

可以看出，國產(chǎn)25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊接件96%的P含量小于0.020%，92%的S含量小于0.010%。由此可見，25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊縫材料的P和S含量水平與母材相當(dāng)。

圖21示出了25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管材料焊接件的室溫拉伸性能統(tǒng)計?？梢钥闯?，25Cr35NiNb屈服強度實測范圍為280～330 MPa，相對240 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;抗拉強度實測范圍為485～615 MPa，相對450 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;斷后伸長率實測范圍為6% ～16%，相對8%的標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為66.7%。35Cr45NiNb屈服強度實測范圍為310～399 MPa，相對235 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;抗拉強度實測范圍為560～660 MPa，相對440 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;斷后伸長率實測范圍為3.5% ～17.5%，相對5%的標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為88.9%。由此可見，25Cr35NiNb和35Cr45NiNb焊接件的室溫拉伸性能尚存在較大不足。

圖21 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊接件室溫拉伸性能

圖22示出了25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊接件的高溫持久壽命?？梢钥闯?，持久壽命實測范圍為0～120 h，68%的檢測數(shù)據(jù)在0～60 h以內(nèi)，19%的檢測數(shù)據(jù)在60～80 h以內(nèi)，13%的檢測數(shù)據(jù)在80～120 h以內(nèi)。由此可見，25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊接件的高溫持久壽命與母材相差較大。

圖22 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊接件高溫持久壽命

3 靜態(tài)鑄造管件

圖23，24示出了25Cr35NiNb和35Cr45NiNb靜態(tài)鑄造管件的P和S成分分析結(jié)果。可以看出，國產(chǎn)25Cr35NiNb和35Cr45NiNb靜態(tài)鑄造管件88.9%的 P含量小于0.020%，92.6%的 S含量小于0.010%。

圖23 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件P含量

圖25示出了25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件的室溫拉伸性能統(tǒng)計。

圖24 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件S含量

圖25 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件室溫拉伸性能

可以看出，25Cr35NiNb管件的屈服強度實測范圍為200～300 MPa，相對240 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為68.8%;抗拉強度實測范圍為335～577 MPa，相對450 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為62.5%;斷后伸長率實測范圍為4% ～20%，合格率為93.8%。35Cr45NiNb管件的屈服強度實測范圍為260～379 MPa，相對235 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為100%;抗拉強度實測范圍為388～587 MPa，相對440 MPa標(biāo)準(zhǔn)值的合格率為72.3%;斷后伸長率實測范圍為3.5% ～13%，合格率為100%。由此可見，25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件的室溫拉伸性能尚存在較大不足。

圖26示出了25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件的高溫持久壽命?？梢钥闯?，持久壽命實測范圍為0～120 h，72%的檢測數(shù)據(jù)在40～60 h范圍內(nèi)，相對120 h的合格率僅為7%。與焊接件的試驗結(jié)果相似，與母材相比，其高溫持久壽命存在較大差距。

圖26 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb管件高溫持久性能

4 討論

4.1 雜質(zhì)元素

眾多學(xué)者開展了雜質(zhì)元素對純鐵、鋼鐵、純鎳以及鎳基合金等材料高溫性能的影響研究工作，其中有代表性的材料分別是以Cr－Mo－V為主要元素的低合金耐熱鋼，通常用于電站設(shè)備，如鍋爐管、蒸汽輪機轉(zhuǎn)子和渦輪葉片等，典型服役溫度為540℃［10－13］;另一種有代表性的材料為鎳基合金，比如 MAR － M002，IN100，IN939，IN718 以及Nimoinc105等，主要用作工業(yè)燃?xì)廨啓C透平渦輪動葉片和導(dǎo)葉等，典型服役溫度為850℃［14－17］。但是針對典型服役溫度900～1100℃的高鉻高鎳耐熱合金材料，S，Pb，Bi等元素對乙烯裂解爐爐管材料的研究卻鮮有報道。中國石化爐管中心針對國內(nèi)乙烯裂解爐管雜質(zhì)元素偏聚導(dǎo)致爐管材料蠕變持久性能劣化的機理開展了初步研究，如Pb和S元素對25Cr35NiNb材料蠕變斷裂性能的影響規(guī)律等［18－19］。

對于離心鑄造高溫耐熱合金爐管而言，無論是國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)還是各專利商的技術(shù)條件中，對P，S，Pb，Bi，As等要求都比較寬松，僅模糊提及所有乙烯裂解爐管均需采用純新原料。在雜質(zhì)元素對乙烯裂解爐管抗高溫蠕變性能的影響機制尚未明晰，不能準(zhǔn)確地給出雜質(zhì)元素門檻值之前，中國石化爐管中心通過開展的國產(chǎn)乙烯裂解爐管抽樣檢測分析，得出了國產(chǎn) 25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管材料的雜質(zhì)水平如下:P≤0.020%，S≤0.012%，As≤40 ppm，Sn≤30 ppm，Pb≤25 ppm，Bi≤1 ppm。值得一提的是，隨著中國石化爐管中心乙烯裂解爐管抽樣工作的開展，各制造廠加強了雜質(zhì)元素的控制，雜質(zhì)含量顯著降低。如某企業(yè)HB106裂解爐改造項目抽檢的5根爐管中:P≤0.016%，S≤0.010%，As≤19 ppm，Sn≤24 ppm，Pb≤13 ppm，Bi≤0.5 ppm，從而也獲得了較高的持久壽命。

4.2 爐管焊接件失效

文獻報導(dǎo)的乙烯裂解爐管焊縫開裂問題很多［20－23］，中國石化爐管中心對10家乙烯企業(yè)爐管使用情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，焊接件失效的案例也時有發(fā)生［8］。如某企業(yè)HB－106號裂解爐為SL－IIM型，2008年6月投產(chǎn)，分別在2010年10月和2012年7月、10月、12月出現(xiàn)4次焊縫開裂，4次開裂焊縫實物圖見圖27。

圖27 HB－106裂解爐(SL－IIM型)4次爐管焊縫開裂情況

某企業(yè)焊縫內(nèi)凹腐蝕導(dǎo)致3臺KTI－GKV型和1臺SL－Ⅰ型裂解爐，出現(xiàn)焊縫200余處失效。某企業(yè)1998年10月投產(chǎn)的BA113爐為SRT－Ⅳ型裂解爐，由于焊縫開裂，在2003年3月更換爐管2根，8月更換爐管4根，9月更換爐管1根。由此可見，乙烯裂解爐管焊接件開裂現(xiàn)象屢有發(fā)生。導(dǎo)致失效的原因有多種:裂解原料問題、焊接工藝問題、焊材問題、蠕變開裂、滲碳等。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，在1100℃，16/17 MPa條件下爐管焊接件的高溫持久壽命約為40～120 h，不滿足當(dāng)前技術(shù)條件要求，而離心鑄造爐管壽命120～280 h，相當(dāng)于焊接件的2～4倍，同樣服役條件下，焊接件與爐管母材的高溫持久強度不匹配，是導(dǎo)致大量爐管焊接件早期失效的原因之一。因此，需要針對失效的焊接件開展分析工作，找出影響焊接件高溫持久壽命低的問題，從而有效提高其高溫持久強度。

4.3 靜態(tài)鑄造管件失效

為了提高乙烯收率和裂解爐的熱效率，乙烯裂解爐的爐型結(jié)構(gòu)決定了需要大量使用靜態(tài)鑄造管件，如三通、五通、Y 型管等［24］。為了強化傳熱，我國推廣扭曲片管的應(yīng)用，靜態(tài)鑄造管件在裂解爐中裝配的情況見圖28。該扭曲片管屬于靜態(tài)鑄造管件，在輻射段盤管中強迫裂解爐內(nèi)的柱塞流改變成旋轉(zhuǎn)流，對爐管管壁產(chǎn)生強烈的橫向沖刷作用，從而減薄邊界滯留層，減緩管壁的結(jié)焦趨勢，達(dá)到強化傳熱、延長裂解爐運行周期的目的，實踐證明確實起到了延長清焦周期、節(jié)約能耗的目的［25］。然而，從中國石化爐管中心對10家乙烯企業(yè)爐管使用情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)鑄造管件失效的案例時有發(fā)生。某企業(yè) BA－1104爐，2004年10月更換所有輻射段爐管重新投產(chǎn)后，2006年4月出現(xiàn)扭曲片管鼓包開裂;BA－113爐在2006年3月更換所有輻射段爐管重新投產(chǎn)后，因扭曲片管鼓包開裂，2009年3月更換扭曲片1件，2009年6月更換扭曲片10件，2010年2月更換扭曲片20件;BA－115爐在2003年投用后，由于鼓包開裂，分別在2007年3月和5月更換五通管件3件。由上述可見，管件失效通常發(fā)生在投產(chǎn)3～4年以后，且失效模式為鼓包開裂，顯然與高溫強度有關(guān)。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計也表明，管件材料的室溫拉伸性能還存在大量不合格，而且在1100℃，16/17 MPa條件下離心鑄造爐管壽命120～280 h，而管件的高溫持久壽命約40～80 h，同樣服役環(huán)境下的高溫強度不匹配。由此可見，靜態(tài)鑄造管件的力學(xué)性能，尤其是高溫強度值得重點關(guān)注。

圖28 裂解爐中的靜態(tài)鑄造管件

5 結(jié)論

通過對國產(chǎn)乙烯裂解爐141根離心鑄造爐管、24根爐管焊接件以及27根靜態(tài)鑄造管件開展了化學(xué)成分、室溫拉伸性能、高溫持久試驗以及低倍組織酸蝕試驗，得出如下結(jié)論:

(1)國產(chǎn)乙烯裂解爐管25Cr35NiNb和35Cr45NiNb兩種材料的雜質(zhì)水平如下:P≤0.020%，S≤0.012%，As≤40 ppm，Sn≤30 ppm，Pb≤25 ppm，Bi≤1 ppm。

(2)25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管的室溫拉伸性能基本滿足技術(shù)條件要求，但是高溫持久壽命合格率為82.7% ～90.6%，與技術(shù)條件尚有距離。

(3)25Cr35NiNb和35Cr45NiNb爐管焊接件以及靜態(tài)鑄造管件的高溫持久壽命基本不合格，這與同種材質(zhì)的離心鑄造爐管材料的高溫持久壽命合格率80%～90%有很大差距，在同一服役環(huán)境下，高溫持久壽命低的耐熱合金部件將阻礙乙烯裂解爐長周期安全運行。

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