乙烯裂解炉炉管渗碳微观组织研究.pdf

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1、30化工机械2014焦乙烯裂解炉炉管渗碳微观组织研究刘德宇+方舟湛小琳(中国特种设备检测研究院)摘要选用裂解炉常用炉管HP40Nb(25Cr35NiNb—MA)作为实验材料，利用低压高温真空渗碳技术，对未曾服役的炉管进行不同时段的渗碳，从而研究渗碳前后炉管金相组织的变化，并结合扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)及电子探针等技术分析析出的碳化物，最终确定渗碳对炉管材料的影响。关键词裂解炉炉管HP40Nb高温真空渗碳微观组织中图分类号TQ054+．9文献标识码A文章编号0254-6094(2014)0143030-04乙烯是石化企业主

2、要产品之一，而乙烯裂解炉是生产乙烯的核心设备之一。随着裂解温度的提高，裂解原料向重质油方面扩展，导致裂解炉炉管频繁出现损伤，其中由炉管渗碳直接或间接造成的损伤达90％以上¨J，这就要对炉管的管材提出更加苛刻的要求。目前，裂解炉炉管主要使用HP系列管材，即以Cr25-Ni35为主要合金成分。由于裂解炉辐射段炉管在高温环境中运行，而且管内介质为强渗碳气体，在其工作温度(900'E左右)和压力(0．1MPa)下，必然会产生渗碳。裂解炉炉管的损伤中渗碳、开裂、变形(椭圆形)、鼓胀以及弓形变等占损伤总量的93％以上，且都与渗碳有一定的关系心’31。炉管

3、发生渗碳与裂解炉的工作周期安排、炉内燃烧操作、炉管损伤失效、维修焊接、开停车操作及剩余寿命评估等都有直接关系。因此，对裂解炉炉管的渗碳研究是非常必要的。笔者对HP40Nb乙烯裂解炉炉管进行低压高温真空渗碳实验，通过分析其渗碳实验前、后材料组织变化情况和碳化物析出情况，来研究不同因素对材料的影响。1实验材料及方法实验选用HP40Nb离心铸造炉管，尺寸规格为4，70mm×6ram，具体化学成分列于表1。表1HP40Nb炉管化学成分wt％采用低压真空渗碳工艺：在真空状态下进行升温处理，有效减少氧化过程带来的影响，并利于碳原子在试样表面的吸附，渗碳速

4、率快、效率高H1；采用低压渗碳一真空扩散的脉冲方式，即多个渗碳和扩散的过程(图1)，在低压渗碳阶段通入乙炔和载气(高纯氮气)，在700—800Pa压力下真空炉中的试样表面形成了较高碳势，保持一段时间后，将加热室抽至高真空，进入碳原子向试样内部的扩散阶段，完成一次脉冲过程，如此循环，并且逐渐延长每个脉冲过程真空扩散阶段的时间，直至最终完成渗碳。本实验渗碳工艺条件为：在1100。C下渗碳时间分别为5、8、10h。实验结束后，切取原始炉管与渗碳后炉管试样，将截面进行打磨抛光后，用电解液(30mLHCl+39H：C：0。)电解浸蚀试样，并用JSM．6

5、510A型扫描电子显微镜对渗碳样品内t刘德宇，男，1966年9月生，高级工程师。北京市，100013。第41卷第1期化工机械3l渗碳时I'flJ／s图1低压真空渗碳工艺示意图侧横截面进行形貌观察和相应的能谱分析，研究不同渗碳时间后HP40Nb炉管微观组织的变化，从而判断渗碳对炉管材料的影响。2实验结果与分析2．1微观组织分析HP40Nb炉管材料在离心铸造过程中，冷却速度很大，大量的碳都是以过饱和固溶的形态存在于奥氏体中，其余的碳以枝晶间一次碳化物的形式在晶界析出。在碳化物析出量最大的时候进行固溶处理，可以使碳化物沿晶界呈链状析出(图2)，晶界

6、上反应所产生的碳化物对合金的性能有重要作用——链状碳化物可以阻止晶界滑移，消除缺口敏感性"1，在高温蠕变应力作用下，晶界区域产生一定程度的应力松弛，从而避免应力过分集中，在高温时效环境下保持力学性能的稳定，延长服役时间。图2炉管HP40Nb内侧截面原始晶界微观组织图3为HP40Nb炉管内侧截面微观组织照片。图3a为炉管原始组织，炉管基本组织是由纯净、几乎没有析出相的奥氏体基体和链状的共晶组织构成。图3b—d为真空渗碳1100℃下，分别渗碳5、8、10h后的炉管微观组织，可以看出随着渗碳时间的增加，强渗碳区深度增加：渗碳5h后，强渗碳区深度约为

7、440Ixm；8h后，强渗碳区深度约为5301山m；10h后，强渗碳区深度约为5701上m。随着渗碳时间增加，渗碳速率有所减缓。同时，可以看出在基体中心晶界处也有大量的碳化物析出，且渗碳时间越长，碳化物析出越明显。已有研究表明，渗碳过程中所形成的大量M，C，碳化物密度较小，低于基体奥氏体的密度，导致渗碳层体积发生膨胀，从而引起炉管内应力增加¨1。图3炉管HP40Nb内侧截面微观组织图4所示为炉管真空渗碳1100℃、5h后截面内壁方向的微观组织，由图4a可以看出，渗碳后炉管组织大体上可以分为3个区域：强渗碳区、过渡区、基体中心区。在强渗碳区(图

8、4b)，最初的奥氏体+共晶碳化物组织已经完全转变为网链状和块状的碳化物：在内侧面0～80Ixm范围内，晶内区域大量粗大块状碳化物相互交接形成无规则三维网络，基体含量