长期服役后10crmo910钢高温性能的研究

长期服役后10crmo910钢高温性能的研究

0含芳烃的重整该工厂的联合勘探和黄金处理设备是其的主要设备。从石脑油提取压塔中提取的原料，通过氢氧化反应装置将重石脑油和氢氧化装置中的氢氧化，并将其加热至反应温度。经该装置促进床层的推化作用后，材料将转化为富在调合中的原料、辅助助产物的液化和氢气质。该反应器为同轴叠置式结构,由四台DC-301～304型重整反应器组成,DC304是其中体积最大者,规格为φ4400mm×9850mm×50mm,壳体材料为10CrMo910钢,属于低合金耐热钢。反应器工作温度为543℃,工作压力为1.07MPa。由于该反应器是在高温和含有多种介质的临氢环境下工作,且已经服役了15万h,壳体可能会存在高温损伤、回火脆化以及高温腐蚀等问题。但是,对于长期服役后的反应器,无论是其强度、显微组织的变化还是剩余寿命等方面,进行过全面的评估的研究报道很少见。有鉴于此,为了确保该设备的安全运行,作者对反应器的损伤程度(显微组织和力学性能的变化)以及剩余寿命进行了测试和评估。1材料的力学性能试验材料为已服役了15万h的铂重整反应器用10CrMo910钢(称为老材料)和未服役过的新10CrMo910钢(称为新材料)。用MAXXLX4型直读光谱仪对材料的化学成分进行分析。从老材料上切取金相试样,经水磨砂纸逐渐打磨、抛光和4%的硝酸酒精溶液浸蚀后,用CarlZeiss光学显微镜和JSM扫描电镜(SEM)观察显微形貌;同时,根据DL/T818—2002《低合金耐热钢碳化物相分析技术导则》,从老材料中萃取出碳化物并用XD-3A型X射线衍射仪(XRD)进行分析。萃取时电解液成分:75g氯化钾+5g柠檬酸+1000mLⅢ级试剂水;其pH值为3～4;电解温度为0～5℃,电流为0.025A·cm-2。衍射采用铜靶,波长0.15406nm,电压40kV,电流30mA,扫描速度1(°)/s,步级0.02°。对两种材料进行室温和高温(540℃)力学性能进行测试。拉伸试验在Instron5869型电子万能材料试验机上进行,冲击试验在JBG-300型冲击试验机上进行,试样的制备和试验方法按照GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》、GB/T4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》和GB/T229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行。由于老材料为板材,取样部位厚度为6～8mm,拉伸试样取矩形截面比例试样,室温试样平行段尺寸为35mm×10mm×3mm,高温试样平行段尺寸为25mm×6mm×3mm,冲击试样取V型缺口试样,尺寸为55mm×10mm×5mm。根据GB/T229—2007对两种材料的回火脆性进行试验,试验温度为—100,—80,一60,—30,0,20,60,100,150℃,高温使用电加热,低温使用液氮冷却,保温时间为20min。冲击试验机的型号和试样与上述冲击试验相同,并根据标准附录D的规范,作出冲击吸收能量-温度曲线,求出脆韧转变温度。在540℃下采用RD-2杠杆型高温蠕变试验机,按照GB/T2039—1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》进行蠕变持久试验。试样变形通过引伸计用精度为±0.0005mm的LVDT测量,由PCI-9114DG型数据采集卡采集并由计算机自动记录。持久试样取矩形截面试样,平行段尺寸为30mm×10mm×3mm。2试验结果与讨论2.1化学成分正常由表1可以看出,尽管已服役了15万h,但是老材料的化学成分正常,各元素的含量符合BSEN10028—2:2003的要求;与新材料相比较,老材料中的碳含量略低,而铬元素的含量略高,其他元素的含量相差不大。2.2碳化物缺陷分布10CrMo910钢正常供货状态的显微组织一般为铁素体+珠光体。由图1可看出,老材料的横、纵截面组织没有明显差别,但是珠光体发生了明显的球化,晶界上有碳化物聚集和长大的现象;在晶粒内,也有大量微细碳化物弥散分布。由图2可以更清晰地看出沿晶界析出碳化物和弥散分布在晶粒内碳化物的形貌(图2中的白色部分)。老材料中没有发现任何形式的单个蠕变孔洞和链状蠕变孔洞以及蠕变显微裂纹。但碳化物的存在会促使孔洞在晶界出萌生,诱使孔洞或蠕变显微裂纹优先在碳化物区附近萌生。根据DL/T884-2004《火电厂金相检验与评定技术导则》,可以定性判定老材料球化级别为2.5级,蠕变孔洞损伤级别为1～2a级。2.3碳化物的性质10CrMo910钢正常供货状态下碳化物相由M2C、M3C和少量M23C6、M7C3组成。从图3可以看出,老材料中主要存在M2C、M6C和M23C6三种碳化物,结合绝热法计算得到M2C碳化物占比为25%,M6C碳化物为49%,M23C6碳化物为26%。根据Mitchell和Ball的研究可以得知,M2C碳化物主要位于铁素体晶内,并伴随晶界的长大和时间的增长逐渐减少。随着服役时间的延长,会发生碳化物的球化和相变,使得M23C6和M7C3逐渐转化为热力学上更稳定的M6C。根据以上分析,钢中M6C含量最高,M23C6次之,这在一定程度上表明老材料已经趋于老化,而M23C6和M2C仍占有一定比例则说明老材料还有一定的使用裕度。2.4高温对复合机械钢的影响表2中所给出的冲击功是根据ASTM370标准换算成的标准冲击试样的值(以下相同)。由表2可见,除了伸长率外,老材料的力学性能都比新材料的低,其中冲击功降低最多,降幅高达74.02%,这与10CrMo910钢长期在高温条件下服役所造成的回火脆性有关;相对于新材料,老材料的抗拉强度和屈服强度降幅分别为8.14%和6.56%。与BSEN10028-2标准相比较,除了伸长率和冲击功满足标准之外,老材料的抗拉强度和屈服强度均低于该标准所要求的下限,虽然幅度不大(抗拉强度和屈服强度分别低于标准值3.29%和4.35%),但是,该铂重整反应器在继续服役时一定要注意温度和外加载荷波动对设备的安全运行所造成的不利影响。由表3可见,在550℃下,与新材料相比,除了伸长率外,老材料的其他力学性能都有不同程度的降低,断面收缩率降低较少,抗拉强度、屈服强度和冲击功的降幅分别为27.59%,23.73%和6.25%。2.5韧脆转变温度的比较图4中的数据点为换算后的标准值,实线为Boltzmann模型拟合的曲线。以54J所对应的温度作为材料的韧脆转变温度。求得两种材料的韧脆转变温度分别为13.7和一44.6℃,老材料的韧脆转变温度的升幅达到58.3℃,表明了老材料已经发生明显的回火脆化,这与表2所示两种材料在室温下的冲击功差别较大相对应。因此,若要继续使用该铂重整反应器,则必须在开停车期间,严格按照操作规程进行操作,以避免回火脆化而导致材料开裂,特别是在紧急停车的情况下。2.6拟合曲线及主应力分析根据Larson-Miller参数法对老材料进行寿命预测。该参数由时间和温度结合组成,以P(σ)表示,有如下关系(取对数型公式):式中:T为温度,K;tr为断裂时间,h;σ为应力,MPa;C0,C1为材料常数,对于10CrMo910钢C取20。将表4数据代入式(2)得出P值(见表4),并以最小二乘法拟合式(1),求出C0和C1得出拟合曲线方程:P(σ)=36.41259—8.57337×lgσ,相关系数R=0.97693。拟合曲线如图5,其横坐标为对数坐标。由于该铂重整反应器在服役过程中的受力较为复杂,且随时间改变,因此,在进行反应器剩余寿命预测时,应选择应力最大值进行计算。采用ABAQUS大型有限元软件以及CAX4R单元,在考虑蠕变的情况下,计算得到该反应器最大主应力为68.98MPa,位于DC303与DC304反应器交界处外侧。将最大应力代入拟合曲线方程式(1)中得到P值,再将实际工作温度(543℃)和P值代入式(2),计算得到该反应器的剩余寿命(tr)为201671h。3碳化物初始识别(1)服役了15万h的铂重整反应器用10CrMo910钢的化学成分正常,但发生了明显的珠光体球化,晶界上有碳化物聚集和长大的现象;在晶粒内,也有大量微细碳化物弥散分布,但无蠕变孔洞和显微裂纹存在。(2