氮气加热器超温失效分析

杜亚强

（甘肃省特种设备检验检测研究院，甘肃 兰州730030）

1 概述

2017年03月初，对某化工厂聚丙烯装置整套设备进行定期检验，期间发现一台水平安装的氮气加热器未拆保温时，水平鞍座地脚螺栓偏移，便对该容器整体保温进行拆除，发现外部筒体向上隆起变形，上下端点水平位移差4cm，外部发黑，鞍座固定螺栓移位，鞍座与筒体连接焊缝存在明显肉眼可见宏观裂纹，如图（1-2）所示。

图1 变形过烧程隆起实况图

图2 外脱落，鞍座位移，材料石墨化实况图

2 设备信息

名称：氮气加热器；设计压力0.45MPa；设计温度280℃；允许操作温度≤280℃,实际操作温度400～480℃，介质为氮气；尺寸为 Φ450×2620(mm)，材质为Q235；2012年经检验评定为2级6年。

3 失效分析

该台设备使用工况较差，条件恶略，长期处于超温运行状态，超温运行范围为400～480℃，长期伴随急剧升温与缓慢降温情况。考虑在低于屈服应力的载荷作用下，该设备高温部分金属材料随时间推移而缓慢发生塑性变形，金相观察后，蠕变孔洞多在晶界处出现，中后期形成微裂纹，然后形成宏观裂纹（位于接管角焊缝、环焊缝处）；当设备运行温度远高于Q235蠕变温度阈值（380℃）时，可观察到明显的鼓胀、升长、隆起等变形；变形量主要取决于设备材质、温度与应力水平的三者组合。高应力条件下，孔洞在晶粒中夹杂物处形成，随蠕变损伤的持续而长大、汇合，形成穿晶蠕变。该设备蠕变变形速率随应力水平越高，蠕变变形速率越大，该台设备超温运行周期未知，而蠕变韧性低的材料发生蠕变时变形小或没有明显变形，但是伴随应力断裂、过热、再热裂纹等。

其次，长期暴露在427～596℃温度范围内的金属材料，其珠光体颗粒分解成铁素体颗粒和石墨，碳化物分解后，形成石墨球；石墨化损伤的末阶段与蠕变强度降低有关，包括微裂纹、微孔洞形成、表面及近表面开裂；温度低于427℃时，石墨化速率极慢；温度越高，石墨化速率越快，该设备局部屈服和显著塑性变形的区域，包括高应力集中区，已发生石墨化;另一方面石墨化程度可分为无、轻微、中等和严重四类，石墨化速率很难预测，仅凭工程使用经验可知，温度高于538℃时热影响区严重石墨化仅需5年，而454℃时轻微石墨化需要30～40年，石墨化损伤后期产生的表面开口裂纹（位于接管叫焊缝、环焊缝处）。参考国标表达为425℃以上发生石墨化，而API说427～593℃区间内产生，但 400℃也都是保守值，部分设备用了在450℃环境下四五十年也未曾出现问题，所以针对该台设备的分析都是相对的，但538℃以上就会在短短几年内形成严重的石墨化。而珠光体球化，API推荐性标准解释为440-760℃区间可能发生，球化和石墨化是发生在重叠的温度范围的相互竞争的机理，在高于大约552℃ 的温度下，石墨化可能在球化后发生，在低于552℃ 下，石墨化在钢完全球化前发生。但不容忽视的是石墨化后材料强度极低，石墨以片状形式出现，使材料强度大大降低，脆性增加；如果长期冷热交替工作，那么材料内部在温差变化引起的热应力作用下，会产生微小裂纹而不断扩展，最后导致破裂。因此，该设备在温度起伏变化工作条件下的结构、应力分布均应应考虑钢材的热疲劳性能。

最后还应考虑该材料长期高温超过蠕变温度阈值（380°）时脱碳的过程，碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。脱碳是扩散作用的结果，脱碳时一方面是氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散，从最后的结果看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成。当氧化速度很大时，可以不发生明显的脱碳现象，即脱碳层产生后铁即被氧化而成氧化铁皮。因此，在氧化作用相对较弱的气氛中，可以形成较深的脱碳层。脱碳层的组织特征为脱碳层由于碳被氧化，反映在化学成分上其含碳量较正常组织低；反映在金相组织上其渗碳体（Fe3C）的数量较正常组织少；反映在力学性能上其强度或硬度较正常组织低。钢的脱碳层包括全脱碳层和部分脱碳层（过渡层）两部分，部分脱碳层是指在全脱碳层之后到钢含碳量正常的组织处，在脱碳不严重的情况下，有时仅看到部分脱碳层而没有全脱碳层，关于脱碳层深度可根据脱碳成分、组织及性能的变化，该设备可采用多种方法测定。

4 优化方式

约束设计范围内的额定可运行工况上限，针对替换设备设计时充分考虑各种不利因素，选择合理的截面形式和开孔补强，降低局部高应力，选用蠕变韧性储备足够的材料，或添加合适的合金成分，并进行合适的焊后热处理提高材料蠕变韧性；需明确蠕变损伤不可逆，一旦检测到损伤或开裂，应进行寿命评价，发现严重损伤或裂纹时应进行更换，采用焊接方法修理时宜选择较高的焊后热处理温度；改进工艺运行参数或物料组分比，降低工艺运行温度至蠕变阈值以下，或减少设备局部过热情况，并减少结垢或沉积，对结垢和沉积物及时进行清除，对可能发生过热或超温，以及应力状态复杂的部位进行金相检查，必要时可微损或破坏性取样试验，测试材料高温力学性能，配合表面无损检测手段，目测检测是否有鼓胀、鼓包、开裂、下垂和弧状弯曲等，在最可能发生壁厚减薄的地方测量壁厚。