烧损火管微观组织变化机理

大庆油田特种设备检验中心

烧损火管微观组织变化机理

姚建辉大庆油田特种设备检验中心

某采油厂加热炉火管使用一年后发生烧损变形，通过采用金相显微镜、直读光谱分析仪、万能力学试验机以及扫描电子显微镜等设备，对火管烧损处的材料性能及其微观组织结构变化进行检测。结果表明：火管烧损后，材料的屈服强度、抗拉强度明显下降，屈服强度仅为标准下限值的64%，抗拉强度仅为标准下限值的70%。火管内壁存在严重的脱碳现象，材料在高温下进行了重结晶，有碳化物新相沿铁素体晶界析出。

加热炉火管；烧损；脱碳；化学分析；检验；断裂

火管是加热炉核心部件，作为燃烧室，容纳火焰和烟气，由于长期高温运行，火管会出现材质损伤，如高温烧损、蠕变等。火管烧损是加热炉损坏的主要形式之一，据统计，大庆油田2012年由火管烧损维修的加热炉占全部加热炉维修的56%。为了研究火管烧损后对材料性能的影响以及其微观组织变化，以某采油厂加热炉火管为研究对象，采用金相显微镜、扫描电子显微镜、直读光谱仪、万能力学试验机等设备，对加热炉烧损试样进行分析与讨论，观察其烧损变形后组织及其材料性能的变化。火管材质为Q345R，壁厚13 mm。容器内运行介质为含油污水，燃料为天然气。运行一年后，对加热炉进行检验，发现火管烧损变形。

1研究的目的与意义

加热炉是油田最常用的设备之一。目前，大庆油田广泛使用的加热炉在运行一段时间后，加热炉火管变形、鼓包、烧穿现象日益增多。火管的鼓包变形是加热炉在使用过程中普遍存在的现象，为了弄清其过热鼓包后微观组织变化机理，为油田日常管理提供基础性的技术数据，开展了烧损火管微观组织变化机理试验研究。根据其鼓包变形的微观机理，采取相应的预防措施，提高火管在日常生产中的使用寿命，是本项研究的目的。该研究成果还可以对加热炉火管的选材提供指导，能直接应用于加热炉的制造设计，对油田的日常设备维护具有现实意义。

2试验过程及结果

2.1 宏观检查

火管外表面结有一层絮状垢，靠近燃烧器的位置发生烧损变形，变形区环绕火管整圈，宽约20 cm，经现场测厚检查，未发现明显壁厚减薄。

2.2 化学分析

在火管上取样，用ARC-MET 930型便携式光谱分析仪，对火管化学成分进行分析，结果见表1。检验结果符合GB713—2008表1中关于Q345R化学成分的要求。

表1 化学成分分析结果%

2.3 力学性能检验

在火管上取拉伸试样，用WAW-E600C型万能试验机进行力学性能检验，检验结果如表2所示。取样部位涵盖火管烧损部位。拉伸检测结果：屈服强度和抗拉强度均低于GB713—2008表2的要求，屈服强度ReL低于标准下限值122 N/mm2，抗拉强度Rm低于标准下限值153 N/mm2，伸长率A符合标准要求。

表2 力学性能检测结果

将拉伸试样的断面置于扫描电镜下观察，图1为断面的整体形貌；图2为瞬时断裂区低倍形貌；图3为断口的韧窝形貌；图4为断口的撕裂棱。

2.4 金相检验

在拉伸试样断裂处靠近断口部位截取试样，经镶嵌、磨抛后置于Axiovert 25CA型金相显微镜下观察，可见火管的内壁存在严重的脱碳现象，全脱碳层最深处达0.31 mm，见图5。脱碳层总深度（包括全脱碳层和部分脱碳层）为1.4 mm，部分脱碳层的金相照片见图6。部分脱碳层分为两部分：一部分是钢材进行了重结晶，有碳化物析出；另一部分是珠光体组织部分保留，但珠光体的量少于Q345R常温平衡态下组织的珠光体含量。图7为侵蚀后火管外壁试样的显微组织形貌，试样显微组织为铁素体+少量珠光体，根据GB/T6394—2002标准，评级试样铁素体晶粒度为9级。靠近全脱碳层的近表面，其组织为铁素体以及沿铁素体晶界分布的碳化物，根据GB/T6394—2002标准评级试样铁素体晶粒度为9级，未发现晶粒的聚集长大现象。

图1 断口整体形貌

图2 瞬断区低倍形貌

图3 断口韧窝形貌

图4 断口撕裂棱

图5 全脱碳层（500×）

图6 部分脱碳层（500×）

图7 火管外壁组织形貌（400×）

3分析与讨论

加热炉火管烧损主要原因有两个方面：一是火嘴原因。燃烧器的火焰组织的长度较短，燃烧放热比较集中，火焰中心温度过高，造成火管局部热流密度过高。二是介质原因。加热炉处于油田三元复合驱驱油技术的试验区块，所处理的含油污水中含有聚合物、泥砂等杂质，由于加热炉有沉降分离功能，可以保证泥砂等杂质和油水有效分离。因此加热过程中在火管外壁面上沉积大量聚合物及泥砂等悬浮物，形成一层絮状垢，火管向外传热性能变差，导致火管在高温处烧损。

3.1 火管微观组织变化

火管长时间在高温下工作，由内壁到外壁，随着工作温度的变化，其组织依次是全脱碳层、部分脱碳层、正常的Q345R常温平衡态金相组织。其中部分脱碳层包括两部分：一部分是发生重结晶，沿铁素体晶粒形成新的碳化物相；另一部分是珠光体部分保留，组织为铁素体+珠光体。

（1）由于碳和碳化物的移除，材料中只剩铁基体，导致材料强度的损失，即为脱碳。高温下铁原子和锰原子具有较高的动能，畸变能较高的（FeMn)3C固溶体晶体会解体，使碳原子析出。受热温度越高、受热时间越长，碳原子析出就越明显。火管内表面析出的碳原子在高温作用下与氧原子结合成CO2，这样就会在材料内表面形成脱碳现象。火管内壁存在严重的脱碳现象，全脱碳层最深处达到0.31 mm，脱碳层总深度为1.4 mm。

（2）在靠近全脱碳层的近表面，其金相组织为铁素体+少量沿铁素体晶界分布的碳化物，有碳化物新相析出，说明Q345R火管在高温运行时发生了相变重结晶过程。由铁碳相图可以看出，材料在温度低于912℃时铁素体中铁原子排列成体心立方晶格，温度在912～1 394℃范围内，铁原子排列成面心立方晶格。也就是钢铁在912℃时会产生奥氏体相变，体心立方晶格比面心立方晶格溶质原子数要少，因此温度从1 100℃下降到800℃时，碳原子会从固溶体中析出形成新的渗碳体，材料长时间在此温度下工作，新的渗碳体在铁素体晶界处聚集长大就形成了新的相—碳化物。

（3）在金相显微镜下观察到有碳化物新相的形成，说明材料进行了重结晶，由此可以推断出Q345R火管鼓包处的局部温度超过912℃，并长时间在这一温度下工作。

（4）火管外壁的显微组织为铁素体+少量珠光体，为Q345R常温平衡态下正常的组织形貌。

3.2 材料力学性能变化

材料的力学性能取决于其组织结构，Q345R材料属于亚共析钢（C＜0.77%），在常温平衡态下的组织为铁素体和珠光体。由于火管持续在高温下工作，烧损变形部位的局部温度超过912℃，达到钢铁的奥氏体相变温度，材料发生了重结晶，碳化物析出。形成火管内壁靠近全脱碳层的金相显微组织为铁素体+沿铁素体晶界分布的碳化物。沿晶界分布的碳化物会使晶界弱化，材料更容易开裂，碳化物在晶界处聚集的越多，对材料力学性能的影响就越大。另外，火管内表面存在严重的脱碳现象，全脱碳层最深处为0.31 mm，脱碳层总深度平均为1.4 mm，脱碳会导致材料强度和硬度明显降低。由于试样的上述两种微观组织结构变化，造成Q345R火管屈服强度ReL和抗拉强度Rm明显下降，屈服强度ReL为223 N/mm2，比标准规定的下限值低122 N/mm2，仅为标准下限值的64%；抗拉强度Rm为357 N/mm2，比标准规定的下限值低153 N/mm2，仅为标准下限值的70%。

3.3 拉伸试样的断口形态

火管在使用过程中未曾发生断裂，利用拉伸试样断口做扫描电镜分析。断口塑性变形明显，在断裂时有明显的颈缩现象。在扫描电镜下观察，断面呈韧窝特征，并有少量的撕裂棱，为塑性断裂。在金相显微镜下观察，火管的内壁脱碳现象严重，且有碳化物析出，但晶粒并未明显聚集长大，铁素体晶粒度内外壁均为9级。脱碳也会使材料变软，强度降低，在受拉应力的状态下材料断裂形式为塑性断裂。

4结论

（1）火管内壁存在严重的脱碳现象，全脱碳层最深处达到0.31 mm，脱碳层总深度为1.4 mm；火管外壁金相组织为正常Q345R在常温平衡态下的组织，即铁素体+少量珠光体。

（2）材料长时间在高温下工作，出现重结晶现象，析出碳化物新相，火管内壁近表面组织为铁素体+沿铁素体晶界分布的碳化物。

（3）火管抗拉强度和屈服强度均明显低于标准规定的下限值，屈服强度ReL仅为标准下限值的64%，抗拉强度Rm仅为标准下限值的70%。

（4）拉伸断口为塑性断裂，呈现韧窝特征。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.011

2015-03-11