ZG40Cr25Ni20炉管的断裂韧性试验及断口形貌分析*

何家胜 胡 雄 朱晓明 刘 洋

（武汉工程大学机电工程学院)(中国石油化工股份有限公司武汉分公司)

ZG40Cr25Ni20炉管的断裂韧性试验及断口形貌分析*

何家胜**胡 雄 朱晓明 刘 洋

（武汉工程大学机电工程学院)(中国石油化工股份有限公司武汉分公司)

将断裂力学原理应用于炉管寿命预测。采用试验机对服役3×104h的炉管和未服役炉管的断裂韧性进行了试验分析，并采用扫描电镜对试件断口进行了形貌分析。结果表明：与未服役炉管相比，服役后炉管的断裂韧性显著下降，抵抗裂纹扩展的能力减弱；服役后炉管的断裂面没有裂纹稳态扩展区和宏观塑性变形，断裂面微观形貌呈典型的脆性断裂特征。

炉管 转化炉 断裂力学 断裂韧性 微观形貌 试验机

制氢转化炉[1-2]广泛应用于石油化工行业。炉管是制氢转化炉的核心零部件。ZG40Cr25Ni20管是一种耐高温合金管，且具有良好的导热性、耐高温腐蚀性能，因此常用作制氢转化炉炉管[3]。由于制氢转化炉运行工况苛刻[4-5]，制氢装置的工作温度可以达到800～1000℃，工作压力可以达到0.5～4 MPa，因此炉管往往容易发生开裂等损伤。国内外已有机构和学者对此做了一些研究与分析工作[6-9]。美国石油学会评定标准API 530对非裂纹损伤的炉管研究较为完善。国内有些学者除了沿用上述方法外，还采用金相法定性或半定量地评定炉管蠕变损伤等级以进行安全评定。上述方法均具有一定的局限性，API 530只对部分高温材料在100 000 h以上外推有一定的精度，而金相法又缺乏一定的理论支撑且不能定量描述，安全性评估存在不足。

为了进一步对服役炉管的寿命进行评定，从断裂力学中引入断裂韧度[10]的概念。断裂韧度能够表征材料抵抗裂纹扩展的能力，因而其实际测量值在结构的安全评定与可靠性研究中占有重要地位。本文对服役3×104h的ZG40Cr25Ni20炉管和同样材料未服役的炉管取样，依据GB 4161—2007采用三点弯曲标准试样进行了断裂韧度试验，并利用扫描电镜进行了断口微观形貌分析，研究了炉管断裂韧度变化时对应的材料微观形貌的变化。研究结果对服役材料的力学性能预测与安全评定具有一定的指导作用，对保证制氢转化炉乃至整个制氢装置长周期安全运行具有重要的意义。

1 炉管试样的试验分析

1.1 炉管平面断裂韧度KⅠC的测试

根据GB 4161—2007 《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》，本次试验选择三点弯曲试样。试样越厚，其断裂韧度值越接近材料的有效值。由于炉管厚度条件所限 （服役过的炉管尺寸为Ø120 mm×12 mm，未服役的炉管尺寸为 Ø75.5 mm×19.5 mm），所以试样沿炉管环向截取。试样尺寸和标号规定如下。

（1）服役过的炉管：宽度W=18 mm，厚度B= 9 mm，取3个试样，分别标号为S01、S02、S03。

（2）未服役的炉管：W=32 mm，B=16 mm，取3个试样，分别标号为S04、S05、S06。

对每个试样的实际厚度和宽度进行了测量，且通过多次测量取其算术平均值，具体数据见表1。

表1 三点弯曲试样尺寸

使加载线通过试样跨距的中点，偏差小于跨距的1%。测量跨距，准确到名义长度的0.5%。使裂纹顶端位于跨距的正中，准确到跨距的1%，同时试样应与支承辊垂直，偏差在±2°以内。保证支承辊和压头与试样的接触面互相平行，偏差不得大于0.002W。试样放好后，安装引伸计时应使刀口与引伸计的凹槽配合好。试样的安装如图1所示。本次试验使用的设备是MTS 810（material test system 810）试验机。

首先取S01试样，预制裂纹在试验机上完成，载荷类型为脉动疲劳载荷。在本次试验的过程中，当疲劳载荷刚加到4.470 6 kN，循环仅97次时，试样就迅速断裂。这说明材料已经发生了严重的脆化。紧接着取S02试样，加载疲劳载荷。鉴于上一根试样很快就断裂了，这次将载荷适当调小，可是当最大载荷达到2.54 kN，仅仅循环45次时，试件又迅速断掉。

因S01、S02试样均是在低于材料断裂强度的情况下迅速断裂的，且由于疲劳载荷的不确定性，所以对S03试样采用手动加载。最终加载结果产生了预制裂纹，并且得到了断裂韧度 KQ，如图 2、图3所示。

图1 三点弯曲试验

图2 S03试样断口宏观形貌

图3 试样断裂韧度试验结果

试验结果：预制裂纹长度a=8.864 4 mm，KQ=0.751 9 kN/mm1.5，即为23.8 MPa·m0.5。

试验测试值KQ是否确实为该材料的KIC，须通过有效性判断。未通过有效性判断的KQ称为条件断裂韧度，表征为在某一厚度下的断裂韧性。

KQ必须满足下列两个条件[11]：

由常温拉伸试验可知，材料的屈服极限为σs＝284 MPa。通过计算可知，KQ不能满足上述两个条件，即所测得的值为条件断裂韧度。造成这个结果的原因： （1）试样厚度不够； （2）试验次数太少等。虽然试验没有得到材料的平面断裂韧性值KIC，但所测得的KQ也能表征炉管在9 mm厚度下的断裂韧性[12-13]。

由于试样尺寸等原因，不能满足平面应变的条件，所以未能得到有效的KQ值。延性断裂韧度JQ没有这样严格的限制，所以对未服役的炉管 （S04、S05、S06试样）进行三点弯曲试验时，我们采用了求材料延性断裂韧度的方法，JQ通过所示的稳态加载曲线及J-Δa关系曲线得到。

根据图4所示的稳态加载过程，采用柔度法计算，可以得到一系列的 （J，Δa）数据点。然后通过有效区间的定义、拟合与回归，如图5所示，得到的JQ值通过了有效性判定，此时的JQ等于JIC＝63 kN/m。根据公式[14]J＝K2/E计算可得，K＝113.8 MPa·m0.5。该K值在小范围屈服的情况下等同于KIC。对比旧炉管，可知服役后炉管材料的平面断裂韧性显著下降。

图4 稳态裂纹扩展加载曲线

1.2 断口微观检查与分析

采用扫描电镜分别对服役过和未服役炉管的三点弯曲试样断口进行扫描分析，得到裂纹萌生、准静态扩展和瞬断处的微观形貌图[15]， 如图 6～图11所示。

图5 J-Δa关系曲线

图6 裂纹萌生区与瞬断区交界处微观形貌

图7 萌生区与准静态扩展区交界处微观形貌（未服役炉管）

图8 萌生区微观形貌

图9 准静态扩展区微观形貌 （未服役炉管）

图10 瞬断区微观形貌

图11 瞬断区微观形貌 （未服役炉管）

由图6、图8、图10可知，服役后炉管的三点弯曲试样断口的微观形貌呈层状结构，基本没有发生塑性变形，抵抗裂纹扩展的能力较弱。而由图7、图9、图11可知，未服役的炉管发生了较大的塑性变形，微观形貌呈韧窝状，抵抗裂纹扩展的能力较强。结合三点弯曲试验得到的炉管平面断裂韧性值，可知材料平面断裂韧性的变化与其微观组织变化有着一定的对应关系。

2 结论

通过对服役和未服役的炉管试样进行试验分析，可以得到以下结论：

（1）经高温服役后的炉管，材料的平面应变断裂韧性明显下降，抵抗裂纹扩展的能力减弱；微观组织发生了很大变化，晶粒晶界之间结合力减弱。

（2）服役过的炉管在稍大疲劳载荷下即发生断裂，不能生成裂纹稳态扩展区，而未服役炉管在较大疲劳载荷下能产生裂纹萌生、稳态扩展和瞬态断裂三个阶段。

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Test of Fracture Toughness for ZG40Cr25Ni20 Furnace Tube and Microstructure Analysis of Corresponding Fracture Surface

He Jiasheng Hu Xiong Zhu Xiaoming Liu Yang

The principle of fracture mechanics was applied to the life prediction of furnace tube.The fracture toughnesses of the furnace tube after serving 30 000 hours and a new furnace tube were tested with the MTS810 tester,and the microstructures of fracture surfaces were analyzed by scanning electron microscope (SEM).The results showed that the fracture toughness of the furnace tube after service decreased greatly compared with that of the new furnace tube,and the resistance to crack propagation was weakened.The fracture surface of the furnace tube after service didn't have the zone of steady expansion and the macroscopic plastic deformation,and the microstructure of fracture surface showed typical features of brittle fracture.

Fracture tube;Reformer;Fracture mechanics;Fracture toughness;Microstructure;Tester

TQ 054+.4

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.04.003

2016-07-15)

*武汉市科技攻关计划项目(201160823266)。

**何家胜，男，1958年生，硕士，教授。武汉市，430205。