长期高温服役后HP40Nb钢炉管的组织及剩余寿命

制氢转化炉是炼油厂制氢装置的核心设备，其辐射段炉管使用的材料大多为HP40Nb钢。该类辐射段炉管为离心铸造管，钢中镍质量分数约为35%，同时含有质量分数约1%的铌元素，具有良好的抗渗碳、抗高温蠕变和抗氧化等性能。然而，在长期高温服役过程中，炉管材料不可能避免地会发生劣化，影响转化炉的安全可靠运行。目前，相关研究大多集中在炉管的开裂原因分析、蠕变性能研究和剩余寿命评估等方面，而对炉管材料在长期高温服役后的组织转变以及这种转变与炉管力学性能和剩余寿命的关系研究较少。为此，有科研人员对服役15a的制氢转化炉辐射段用HP40Nb钢炉管的显微组织进行了分析，并研究了其力学性能以及炉管的剩余寿命。

试验材料取自某炼油厂制氢转化炉辐射段HP40Nb钢炉管，规格为Φ127mm×12mm，其化学成分（质量分数，%）为0.40C，1.04Mn，1.14Si，0.006S，0.015P，0.029Mo，25.30Cr，34.83Ni，0.86Nb，余量Fe，满足HG/T2601-2011的指标要求。取根炉管的两段进行对比研究，一段位于炉管顶部法兰下方，简称1#管。由于炉顶保温层的存在和高温运行时炉管发生热膨胀向上伸缩，1#管未经历炉膛内高温，其显微组织及力学性能接近铸造炉管的原始状态。另一段距炉管顶部法兰3.5m处，简称2#管。2#管位于顶烧箱式加热炉外焰喷射处，其管壁温度在整根炉管中最高。

在1#管、2#管上分别切取表面尺寸为15mm×15mm的金相试样，采用光学显微镜、扫描电镜观察其显微组织，用SEM附带的能谱分析仪分析微区成分。根据GB/T228.1-2010和GB/T4338-2006，进行室温（23℃）和高温（950℃）拉伸性能试验。根据GB/T229-2007进行夏比冲击试验，试验温度为23℃。根据GB/T2039-1997对2#管试样进行高温持久试验，试验温度为950℃。结果表明：

（1）经15a高温服役后，制氢转化炉炉内高温段炉管发生了严重的性能劣化，晶界粗化并有G相析出，晶内二次碳化物析出明显，近内壁、近外壁和基体中均有蠕变空洞产生，近内壁、近外壁处还发生了氧化和贫铬，炉管近外壁形成了脱碳层。

（2）与原始铸态炉管相比，长期高温服役后炉管的室温抗拉强度降幅超过30%，高温抗拉强度降幅约18%，室温冲击功也明显下降。

（3）当在最高温度为920℃工况下运行时，该HP40Nb钢炉管的剩余寿命不足1a。