加热炉炉管材质损伤机理及其金相检测

王艳伟

摘 要：针对加热炉管材损伤机理及其金相检测，结合理论实践，浅要分析了加热炉炉管材质损伤机理发生的条件和危害，并分析了金相检测技术在炉管材质损伤机理检测方面的具体应用。

关键词：加热炉；炉管材质；损伤机理；金相检测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.017

0 引言

锅炉管道在运行中需要承受高温、高压的工况，随着时间的推移，炉管材质损坏的概率也会大大增加，从而增加了企业运行成本，炉管作为加热炉的主要组成部分，在实际运行过程中，往往会受到很多因素的影响，从而导致炉管发生一定程度的损坏，比如：蠕变和渗碳等，对加热炉的安全使用构成一定威胁，在这样的基础上，开展加热炉炉管材质损伤机理及其金相检测的研究就显得尤为重要。

1 炉管材质损伤机理

1.1 珠光体球化

碳钢和低合金Cr-Mo钢的金相组织主要为珠光体和铁素体，当承受温度达到440℃以上时，金相组织会发生细微的变化，比如：碳钢中的碳化物会片状逐渐聚集，转变为球状。而对低合金Cr-Mo钢中的比较细小的碳化物转变块状碳化物，也就是所谓的珠光体球化。珠光体球化的过程，也就是碳化物逐步扩散的过程，从而降低炉管的硬度和强度，通过实验研究表明，当碳钢、低合金Cr-Mo钢发生珠光体球化后，炉管的全寿命使用周期会降低25%～35%，由于珠光体球化发生晶粒层，只能通过现场金相和割管取样金相来进行分析，发生球化反应的炉管主要表现为抗拉强度和硬度降低。

1.2 σ相脆化

奥氏体不锈钢炉管如果长期在375℃～785℃中使用，就会形成类似相应的Fe-Cr金属化合物，在合金相图中称之为σ相，具有硬度高而且脆的特性。奥氏体是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，其面心为立体晶格，当析出Fe-Cr金属化合物后，会导致奥氏体不锈钢的韧性丧失，在实际应用过程中，σ相的析出和铁素体的含量有很大关系，所以要想防止σ相的析出，就必须严格控制铁素体的含量。由于奥氏体不锈钢材质的特性，决定了锻件、焊缝等环节都可能发生σ相析出。通过大量实践表明，σ相析出属于一种金相组织层面的改变，在研究和分析可以通过相应的金相检验对铁素体含量变化的跟踪控制，也可以通过冲击试验来判断σ相析出[1]。

1.3 渗碳损伤

加热炉炉管金属材料中含有大量的碳元素，在高温环境下，金属会和含碳材料发生反应，就会炉管内壁上形成“渗碳层”增加金属材料的脆性，降低金属蠕变强度，如果没有及时解决，甚至会发生严重的脱碳现象，导致炉管发生脆断。但形成渗碳层需要三大要素，第一，具备碳环境；第二，材料必须为敏感材料；第三，持续高温。但加热炉在具体使用过程中，会发生结焦现象，提升炉管的温度，所以为确保炉管的完全性和使用效率，必须及时清理管壁上结焦，获得研究开发相应抗结焦炉管材料，才能避免渗碳对炉管造成的损伤。

2 金相检测技术在加热炉炉管材质损伤机理检测中的应用

2.1 Cr-Mo钢炉管珠光体球化

2016年4月，某工业企业发生加热炉炉管断裂现象，造成14人受伤，直接经济损失600余万元。事后相关部门接入调查，对炉管进行现金相检测，其炉管的主要材料为14CrMo，金相检测结果显示，炉管发生严重的珠光体球化现象，具体情况如图1所示：

从图1中可以清楚看出，Cr-Mo钢炉管珠光体比较完整，少部分碳化物呈现粒状，晶界碳化物的数量比较多[2]。

2.2 奥氏体不锈钢炉管晶间腐蚀

2016年5月江苏某炼油厂，对一台连续重整4次的加热炉极炉管进行现场金相检测，此炉管的材料为TP347，通过检测发现在炉管焊缝靠近木材的区域中发生了明显晶间腐蚀，具体情况如图2所示：

2.3 炉管渗碳

炉管渗碳加热炉炉管发生损失最常见的问题之一，在2015年11月对辽宁省营口市某工业企业裂解炉炉管进行割样金相检测，炉管的主要材料为HK40，通過详细检测分析，发现在炉管内壁出现落实了严重渗透损伤。由于HK40钢属于一种离心铸造的耐热铸钢，没有使用过的HK40钢的组织结构奥氏体基础和共晶碳化物组合而成，当运行超过2年以后，共晶碳化物形态就会转变为网链状或者块体状，晶粒直径也会逐渐增加。相关实验表明，渗碳化合物的类型会随着含碳量的增加而发生转变，促使炉管的体积发生膨胀，随着碳元素逐渐渗出，炉管的密度减小，如果不能及时解决，甚至会导致炉管发生开裂，从而缩短炉管的使用寿命，当渗碳层的含碳量或者厚度达到一定程度以后，还会降低炉管的可焊性，进一步增加焊接的难度。

3 结束语

综上所述，加热炉炉管材质损伤机理有：珠光体球化、σ相脆化、渗碳等，都可以通过金相检测的方式发现，并可以提供有效的恢复措施，在具体检测过程中，硬度检测和其他无损检测方法可以见辅助检测炉管常见的材质损伤。

参考文献：

[1]孔维军.加热炉炉管节能改造和防护技术探讨[J].中外能源，2013（06）：89-92.

[2]姜国平，汤占岐.煤焦化管式加热炉炉管设计及参数选取的探讨[J].煤炭技术，2014（02）：225-226.