1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
文 献 综 述
1引言
解决杨巴公司炉管开裂，经紧急抢修，由于经验不足，未能彻底将裂纹全部消除，给高温高压下的炉管运行带来极大的安全隐患。由于高温炉管运行管理的诸多不确定性，今后炉管运行中的开裂是不可避免的，因此，寻找一个安全可靠的补焊接工艺显得尤为重要。本课题通过查阅相关资料和文献，并配合相关的试验和分析，研究已服役炉管的补焊接方法和工艺，为今后消除裂纹的抢修提供可靠依据。
2 主题部分
2.1高温炉管
在如今工业发展中，工业设备中炉管的运用越来越广泛，炉管性能的要求越来越高，按照美国石油协会（API）推荐的常规设计方法API530[1],炉管的设计寿命通常为100，000小时（11.5年），炉管的实际服役时间取决于实际操作工况和材料的实际性能。所以高温情况下，炉管的老化损伤，失效不可避免，如何解决焊接问题成为了工程难题。
以转化炉炉管为例，离心高温合金通常用于炉管材料，例如HK型和HP型[2]。长时间在高温中工作，炉管材料会缓慢发生改变，材料内原子的快速运动导致了碳化物的形成，沉淀，集聚长大。最终脆化材料且降低了其高温热强性能。材料组织结构的进一步恶化而产生蠕变空洞，空洞之间相互连接而形成了微裂纹，微裂纹同样相互连接继而发展成为了宏观裂纹。到目前为止的研究都是关于炉管产生裂纹部分和破坏部分，并未有对其整体损伤态的研究，因此对炉管补焊接维修和未来使用寿命分析存在局限。
某石化公司制氢转化炉从89年起已经服役12年，工作时长近10万小时。自01年7月芳烃设备全面检修后，炉子已连续运行2至3年，锅炉炉管已超过设计寿命，需要立即对它继续生产安全性进行评定，其补焊试验的研究也迫在眉睫。
2.2高温炉管发展现状
随着石油化工的不断发展，蒸汽转化制氢，乙烯裂解等化工装置都朝向大型化，高效率的方向发展。工作温度不断升高，压力不断加大，为了保证高效且安全生产，转化炉或裂解炉等炉管类设备自身的高温性能必须逐步升高。
这些性能主要包括：
1. 抗高温氧化性能；
2. 抗渗碳性能；
3. 高温强度和高温韧性；
4. 持久强度和热疲劳强度；
5. 保证性能条件下较低的成本。
为了符合生产需要，早期HK40炉管已经不能满足需求， 在过去的三十年中，高温管
的制造及其材料的研究和应用有了长足的发展。工艺的日臻改进与完善，整体生产设备的大型化，操作难度提高，促进了高温炉管合金的发展。改善高温炉管性能的基本方法有两种。
1.在传统的HK和HP型合金的基础上，通过添加一种或几种微量的强化元素来提高原有合金的各项高温性能，最先作为强化元素而加入合金的是Nb。Nb元素能优先和碳结合形成NbC从而降低钢的晶间腐蚀。由于这几种组织结构可以有效的阻碍裂纹的扩展，提高了材料抗蠕变能力。HP-Nb合金具备以上特点。类似的元素还有W, Ti和 Mo等[3-6]。控制各类元素的含量,蠕变断裂,抗氧化,抗渗碳和合金的室温塑性性能可以明显提高。利用微量元素强化材料性能研究前景十分广阔，目前材料领域大部分研究集中于此，力求通过稀土元素改善材料性能。一些专利钢中还加入了微量B和N。
2.改变材料中Cr、Ni元素含量，再加入其它元素，两种方式共同作用改善其高温性能。
为了满足特殊工况中炉管使用需求，特此研发该类合金。就像高温环境中炉管的长时间服役，研制出了15CrMo（珠光体型耐热钢），4Cr9Si2（马氏体型耐热钢）。这些耐热钢已经作为常用耐热钢用于各种高温部件或其他设备的制造中。但是，这类合金钢价格比较贵，使用成本较高，适宜用于关键部位的制造。
直到如今，经过两种方法制造出来的各类炉管用耐热合金钢多达数十种。根据这些合金的主要元素Cr, Ni含量不同。我们可以将它们划分为25/20型 (HK), 24/24型、25/35型 (HP), 30/30型、28/48型、20/32型等六种类型[7]。
2.3 HP-Nb炉管介绍
HP Nb是ZG40CrNi35Nb材料的简称，ZG是代表铸钢。炉管是基于之前的HK40及其改良
型基础之上开发研制出来的耐高温合金材料。具有良好抗蠕变性能、抗渗碳和氧化能力，
能够较好抑制σ相形成材料炉管来符合生产要求。常用在石油化工行业的高温部位或长
期在高温、应力和腐蚀介质等恶劣条件下运行的设备上[8]。石油化工中，常用作制氢
转化炉、乙烯裂解炉及加热炉炉管[9-10]。其缺点是具有热膨胀系数大，导热性差、电
阻率大等特征，碳化物的二次偏析和受热变形易产生，焊接裂纹敏感性大、变形量大
[11]。HP Nb炉管缓慢冷却时，微观组织为奥氏体 骨架状共晶碳化物。由于离心冷却
速度很快导致凝固过程为非平衡凝固，所以其碳化物<v:shape style="WIDTH: 32.25pt; HEIGHT: 18pt" id="_x0000_i1026" type="#_x0000_t75" equationxml='14<w:rFonts w:ascii="Cambria MatM<w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math" w:c23<wx:font wx:val="Cambriw:c<w:sz C6</m:'> ，<v:shape style="WIDTH: 30pt; HEIGHT: 18pt" id="_x0000_i1028" type="#_x0000_t75" equationxml='14 M7C/><3'> 和一定数量的NbC
共同存在为一过饱和的奥氏体 共晶体。共晶碳化物<v:shape style="WIDTH: 27pt; HEIGHT: 18pt" id="_x0000_i1030" type="#_x0000_t75" equationxml='14<w:rFonts w:ascii="Cambria MatM<w:rFonts w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math" w:c7<wx:font wx:val="Cambriaw:c<w:sz wC3</m:t'> 和NbC的晶界碳化物为连续骨
架状和块状。分别分布在晶界上和枝晶间。
2.4 炉管常见故障
2.4.1 蠕变
炉管发生蠕变破坏的主要特征为:
1.在直径或轴线方向上产生塑性变形
如炉管扩径，伸长，局部隆起或弯曲。
2.管壁出现较多的蠕变裂纹
蠕变裂纹多发生在距内壁1/3-1/4壁厚处，再由内壁向外壁发展，一般向内壁的发展快于向外壁的发展，引起炉管断裂的裂纹以径向裂纹为主[12]。
3.显微组织变化
蠕变裂纹一般是沿晶裂纹，裂纹常常出现在碳化物周围，由于晶界碳化物析出量最多，故呈现出裂纹与碳化物的伴生现象。晶界较粗的不连续网链状二次碳化物的逐渐粗化，与随后产生的蠕变孔洞和显微裂纹就显得相伴相生似的[13]。八十年代初，在引进的技术发展的研究中，对超声检测转化炉管蠕变裂纹技术已进入实用化阶段[14]。
炉管蠕变损伤关系着服役时间的长短，对于其损坏程度的测量可以评定炉管组织现状态和未来服役时间。
根据蠕变损伤的特点，常用的蠕变检测方法有:
1)裂纹检测 超声波检测和X射线探伤;
2)蠕胀检测 外观检查和炉径长度改变.(对于薄壁管蠕胀变化不大,该方法目前使用很少);
3)金相观察 观察共晶和二次碳化物状况，蠕变空洞，显微微裂纹等情况以及高温强化机制的目前现状[15]。
2.4.2 热疲劳
锅炉的周期性运行，开车时，温度升高明显，使热量在炉管内外传递时候存在温差，进
而引起了应力作用。特别是管内物质受到多种因素例如燃料自身倾向，锅炉布置方式等
影响而结焦，引起过热汽温升高，形成温差应力加剧。停车后，管内几乎无热量传递。
由于烧焦作用，炉管内温度高于外部，产生了与之前相反的温差和力作用。工业炉中几
乎都采用奥氏体耐热钢，其缺点是热膨胀系数大，热导率低，对于力的产生有不良作用。
锅炉停开车的反复改变，出现了大幅度波动的温差，温差应力也周期性变化，这种变化
的应力长期作用导致炉管疲劳损伤[16]。
2.4.3 热冲击
随着锅炉运行状态的变化，其炉内炉管的温度数值变化跨度很大，从而导致高温下力的
作用变化也比较剧烈。耐高温合金材料普遍含碳量较高，在实际生产中，<v:shape style="WIDTH: 27pt; HEIGHT: 18pt" id="_x0000_i1032" type="#_x0000_t75" equationxml='14M7C3'> 逐步转
化为<v:shape style="WIDTH: 31.5pt; HEIGHT: 18pt" id="_x0000_i1034" type="#_x0000_t75" equationxml='14M23Ch><6'> ，随着<v:shape style="WIDTH: 31.5pt; HEIGHT: 18pt" id="_x0000_i1036" type="#_x0000_t75" equationxml='14M23Ch><6'> 转化量的增多，逐渐聚集，长大，材料晶粒变大，韧性变差。
再加上渗碳作用、其他损伤因素的影响，极大的破坏了HP-Nb炉管内部结构，导致高温
条件下的持久性减弱，材料韧性变差。低温脆化严重。HP-Nb炉管在经过长时间服役后
伸缩性能削弱明显，在加上其他损伤因素后甚至于丧失了伸缩性能。
2.4.4高温腐蚀与渗碳
1.高温硫腐蚀
硫是炉管材料中的有害杂质元素，它是在炼钢时经由铁矿石和焚烧料带入钢中。在固态
下，硫不溶于铁，以FeS形式存在，它能与Fe形成低熔点共晶体且分布在晶界上[17]。
在高温情况下，元素扩散速度加快，硫的存在加速了低铬组织内部晶粒间的腐蚀。当炉
管工作温度在1000℃以上时，共晶体熔化，管材变脆，促使了炉管的开裂损伤或破坏。
目前，在原料中对有害的硫作了有效的控制，高温硫腐蚀现象已不存在。
2.渗碳
渗碳损伤是管类设备中经常发生，特别是裂解炉管的失效破坏，它是罪魁祸首。温度
很高时，由于材料内部发生改变焦化，促使C渗透进组织。提高了炉管含C量。然而含
C量的提高该部分组织对温度的敏感性，降低组织伸缩性能，造成很大内部应力，极大
地减少了管子的服役年限。不单这样，该种损伤还会脆化硬化管材组织。例如降低管材
在很高温度下一定时间内产生一定蠕变变形量所能承受的最大应力值，导致合金组织晶
格发生畸变使其位错无法开动而脆化，塑性变形能力减弱。由于无法规避热应力的改变，
脆化且塑性变形能力差的炉管极易发生开裂，服役时间减少。
2.4.5机械侵蚀与管壁减薄
流体以很快的速度进入炉管,因其具有一定的冲击力,所以炉管材料受到应力作用,材料
表面被冲击受伤甚至于组织掉落。这就造成了炉管的开裂或破损。在大多数管类炉中，
这种机械侵蚀损伤经常发生。
机械侵蚀造成的减薄每每聚集在易冲刷的部位，这类减薄是不均匀的，部分的，有
时会出现很深的孔洞[18]。在一些管壁温度比较高的炉子上，也曾发生金属粉化造成
炉管减薄。管壁减薄会导致管壁应力增加，使炉管寿命下降。局部减薄严重会导致炉管
穿孔，甚至断裂，管壁减薄是影响高温炉管寿命的重要因素之一[19]。
2.5 HP-Nb炉管的化学组成分析
HP-Nb炉管为ZG45Ni35Cr26，属高Cr-Ni奥氏体耐热不起皮铸钢[20]。Cr, Ni含量较高，奥氏体耐热钢，抗氧化性好。其化学组成如下：
表3-1 HP Nb的化学成分
C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Nb |
0.35～0.45 | ≤2.0 | ≤1.5 | ≤0.03 | ≤0.03 | 33～36 | 24～27 | 0.7～1.5 |
HP Nb的相关特性
合金元素对钢组织有很大的影响。从表3-1中HP Nb中所含的化学成分可以分析出它的各种性能
1.碳：材料含碳量在0.35～0.45属于中低碳含量。含碳量愈低，则晶间腐蚀倾向愈小，耐腐蚀性愈好，碳含量愈高，则碳化物析出量越多,高温强度越高[21]。
2.硅：高温时硅结合氧生成致密氧化膜Si提高钢耐腐蚀性，但过多会减低钢材强度与韧性(Si含量控制在2%)
3.Ni Ni可使钢获得单相奥氏体组织，从而显著提高再结晶温度，提高合金的高温蠕变强度，但Ni的作用只有与Cr配合才能充分发挥出来。
4.Cr Cr在材料中含量最高，可以形成碳化物提供良好的高温蠕变抗力，同时也可形成稳定氧化膜，保证合金有足够抗高温氧化能力。此外，Cr可改变基体电位和钢内部组织结构。Cr与Si相同也会产生氧化膜加强抗腐蚀性。
5.Nb Nb元素能优先与碳结合形成稳定性高的NbC,从而提高合金的极限耐温能力。
2.6补焊修复的研究现状[22-25]
炉管断裂或泄漏后的选择有二：一是采取整根炉管更换的办法；二是应用焊接技术
修复的措施。由于用焊接技术进行修复具有经济性、及时性等优点,往往被大多数厂家
采用。然而,由于焊接技术发展的局限性和焊接冶金结合的特点，导致在实际工况下，
焊接接头本身就有可能存在缺陷。在大量的工厂设备事故中，焊接接头先行失效的例子
己屡见不鲜。在高温构件失效引发的事故中,焊缝早期发生的失效常有报道。焊接接头
作为设备的薄弱环节已日益为人们所注意，同时也已注意到在很多情况下，失效往往只
是局部性的，设备的其它部分还有相当好的服役性能，如果简单的整体报废只会造成材
料及资金的巨大浪费。因此，在保证补焊构件安全运行的前提下，采用局部补焊技术来
对损伤程度严重的局部区域进行修补，可以提高设备运行的整体经济效益，避免整套设
备更换造成不必要的浪费。
三、本文的研究方向
1.通过综合镍基高温合金炉管的焊接方法和工艺,并用来分析了HP40N高温合金炉管的焊接性。
2.通过试验分析研究已服役炉管的补焊接方法和工艺，为今后消除裂纹的抢修提供
可靠依据。
四、参考文献
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
五、研究方法
初步打算采用试验进行分析，对已经服役hp炉管进行取样分析。根据采样进行实验
得出炉管应力等有关数据。最后依据所得数据再结合上补焊接工艺标准对不同hp炉
