陈 刚1,李志峰2,路宝玺1,杨利军2

(1.上海赛科石油化工有限责任公司,上海 201507;2.中国特种设备检测研究院,北京 100013)

摘 要:某苯乙烯装置中已使用13a的Incoloy800HT 合金高温蒸汽管道在定期检验过程中 在主管对接接头处发现裂纹,通过拉伸试验、弯曲试验、金相检验和微观形貌观察等方法分析了裂 纹产生的原因。结果表明:主管接头在913℃长时服役后在熔合线上有大量析出相,析出相主要是 由合金元素铬和钼形成的碳化物;碳化物相的析出导致合金高温力学性能的降低并产生应力集中, 蠕变孔洞在析出相附近产生,长时间高温使用下演变为蠕变裂纹。

关键词:Incoloy800HT 合金;熔合线;蠕变裂纹;析出相 中图分类号:TG172.6 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2022)12-0098-05

0 引 言

Incoloy800HT 合金具有良好的高温性能、焊 接性和耐腐蚀性能,一般用于制造石化行业和核工 业中的高温管道[1-2]及在较高环境温度中使用的机 械部件。石化行业内的Incoloy800HT 合金管道一 般为过热蒸汽管道,例如苯乙烯装置中的过热蒸汽 管道,其服役温度高达800~900 ℃ [3]。国内外对 Incoloy800HT 合金的研究主要集中在异种材料焊 接方法、焊接过程质量控制等方面[3-6],有关Incoloy 800HT 合金及接头失效分析的研究较少,且研究对 象多 为 甲 醇 转 化 炉 猪 尾 管[7]。 虽 然 王 伟 明[8] 对 Incoloy800HT 合金高温蒸汽管道支管的断裂原因 进行了分析,但该管道的服役时间较短。在对某工 厂苯乙烯装置已服役13a的Incoloy800HT 合金 过热蒸汽管道进行渗透探伤检测时发现,该管道3 处采 用 钨 极 氩 弧 焊 (GTAW)打 底、手 工 电 弧 焊 (SMAW)填充盖面的主管对接环焊缝熔合线处均 存在断续裂纹与蠕变孔洞。该管道于2005年3月 投用,介质压力为0.1 MPa,介质温度为913 ℃,公 称直径为1050mm,壁厚为23.81mm,焊接材料为ERNiCrCoMo-1镍基合金焊丝(牌号为 AWS A5. 14)。Incoloy800HT 合 金 的 抗 拉 强 度 不 低 于 450 MPa,屈 服 强 度 不 低 于 170MPa;ERNiCrCoMo-1 焊丝的常温抗拉强度为770 MPa,屈服强度为610 MPa,断后伸长率为28% [9-10]。为了找到长期服役 Incoloy800HT 合金高温蒸汽管道主管对接接头的 开裂原因,作者在该管道中主管对接环焊缝熔合线 处取样进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

对现场其中1根主管对接焊缝进行渗透发现微 裂纹及蠕变孔洞,如图1所示。 图1 主管对接焊缝处宏观形貌 Fig 1 Macromorphologyofbuttweldofmainpipeline

1.2 化学成分

采用 SPECTROMAX 型 直 读 光 谱 分 析 仪 对 Incoloy800HT 合金母材和焊缝金属的化学成分进 行分析。由表1和表2可以看出,开裂管道母材和 焊缝金属的化学成分均满足标准要求

1.3 显微组织

采用线切割法沿接头横截面截取金相试样,经 磨抛,用质量分数10%草酸溶液电解腐蚀后,采用 AXIOImager.A2m 型光学显微镜观察显微组织。 由图2可见,开裂管道母材与焊缝的基体相均为奥 氏体,同时晶界处有断续黑色析出相。 将整个接头截面按照顺序拍摄组织照片后拼接 成全图。由图3可以看出:接头截面焊缝两侧熔合 线上都有断续的黑色析出相,虽然母材和焊缝中也 存在黑色析出相,但其含量远低于熔合线处;管道内 表面存在部分腐蚀形貌,腐蚀层厚度约为1.52mm; 熔合线处孔洞附近已经形成了微观裂纹。 采用 HitachiS-3400N 型 扫 描 电 子 显 微 镜 (SEM)对焊接接头熔合线处和焊缝的微观形貌进行观察,同时用附带的能谱仪(EDS)对析出相进行 微区成分分析。由图4和表3可以看出:熔合线处 的析出相多为铬、钼的碳化物。固溶处理后800HT 合金显微组织一般由具有典型孪晶晶界的奥氏体基 体以及 TiN 和 Ti(C,N)颗粒组成[11],而在高温下 服役10 5h后,其内部的铬、钼等可以提高高温性能 的合金元素逐渐出现偏析,并与碳等非金属元素形 成硬质相。熔合线附近还存在少量硅化物,在析出 相周围出现多个蠕变孔洞,这些微观结构不连续处 会产生应力集中,导致裂纹萌生。其中浅色相富集钼元素,深色相富集铬元素。这些 析出相周围也存在较多蠕变孔洞。

1.4 力学性能

按照 GB/T228.1-2010,以平行于焊缝及垂直 于焊缝方向,在母材截取横向、纵向在棒状拉伸试 样,同时以焊缝为中心垂直于焊缝截取相同尺寸的 棒状焊接接头拉伸试样,试样标距为50 mm,分别 采用Z250型和 E45.305型电子万能材料试验机进 行室温和913 ℃高温拉伸试验。由表5可以看出, 母材的室温拉伸性能与Incoloy800HT 合金的标准 拉伸性能相近,接头的抗拉强度较母材降低 20%。 接头在室温拉伸时的断裂位置都位于熔合线处。一 般设计要求焊缝的许用应力等于或者大于基体材料 的许用应力,但在长时间使用后,材料性能已经劣 化,已不满足此条要求。母材和接头的高温屈服强 度和抗拉强度相近,且均满足设计要求(抗拉强度 92.4MPa,屈服强度62.1MPa),但接头试样的断后 伸长率仅为母材试样的50%,接头在高温拉伸时的 断裂位置依然位于熔合线处。 按照 GB/T2653-2008,在焊缝处截取尺寸为 55mm×10 mm×10 mm 的试样,采用 SHT4106 型微机控制电液伺服万能试验机进行弯曲试验,下 压速度为1mm·s -1,压头直径为40mm,弯曲角度 为180°。试样均在熔合线处断裂。结合拉伸试验 结果可知,熔合线是接头的薄弱位置。

采用 HitachiS-3400N 型扫描电子显微镜对接 头室温拉伸断口和弯曲断口形貌进行观察。由图6 可以看出,接头室温拉伸断口整体呈沿晶韧性断裂 形貌,部分区域存在微裂纹,断口底部存在规则状沿 晶脆性断裂特征。高温环境长时间服役后,熔合线 处晶界的铬、钼元素发生偏析,材料发生蠕变,在外 力的作用下裂纹在晶界处萌生并扩展。在弯曲断口 中也存在韧性断裂和规则状沿晶脆性断裂特征,如 图7所示。

2 开裂原因分析

由上述理化检验结果可知,Incoloy800HT 合 金高温蒸汽管道主管对接接头熔合线处有大量的含 铬、钼的碳化物析出,母材的力学性能在长期服役后 依然满足或高于设计要求,所以该管道的薄弱点在 熔合线。在长期高温工况下,熔合线处析出铬、钼碳 化物并且碳化物发生聚集长大,温度越高、服役时间 越长,碳化物聚集长大过程发生得越快[12-13]。随着 碳化物的长大,在其附近更容易产生应力集中而出 现蠕变孔洞。蠕变孔洞的扩展和蠕变裂纹的产生还 与设备所承受的应力有关[14]。 综上可知,Incoloy800HT 合金高温蒸汽管道 接头发生开裂的主要原因是由于在913℃长时服役 后熔合线处含铬、钼等碳化物的析出导致合金高温 力学性能的降低并产生应力集中,蠕变孔洞在析出 相附近产生并合并长大,从而形成蠕变裂纹。

3 结论及建议

(1)Incoloy800HT 合金高温蒸汽管道接头发 生开裂的主要原因是在913℃长时服役后熔合线处 含铬、钼等碳化物的析出导致合金高温力学性能的 降低并产生应力集中,蠕变孔洞在析出相附近产生; 随着高温服役时间的延长,蠕变孔洞合并并形成蠕 变裂纹。 (2)建议对管道重新焊接,消除熔合线处的析 出相;保证管道介质作压力、介质温度的平稳,在工 艺允许的条件下建议取温度低限值运行。

来源：材料与测试网