焦化装置焦碳塔热电偶断裂分析

摘 要：利用金相、显微硬度等手段对发生断裂的焦碳塔热电偶316L的组织进行分析，发现组织中析中大量σ相，显微组织硬度大于正常的316L组织，在振动及温变等应力的作用下，沿σ相产生裂纹，扩展后发生断裂；同时热电偶套管内壁晶间腐蚀也是诱发裂纹产生断裂的一个原因。

关键词：热电偶 ；316L；断裂；σ相；

中图分类号：TE65 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-01-00-02

引言

某炼油厂120万吨年生产能力的焦化装置焦碳塔，2012年11月投入使用，2013年4月发生热电偶插管根部断裂，高温渣油喷出事故。该热电偶位置为进料线处，工作温度为80-490℃变化，24小时为一个变化周期，介质为0.3MPa的焦化渣油，热电偶附近有冷却水的水锤振动，而且还有焦粉的冲击。断裂的热电偶材质为316L，套管为棒料钻孔加工成形，然后法兰与套管承插式焊接，并采用堆焊形式。

一、化学成分分析

对断裂的热电偶套管及法兰进行了化学元素分析，分析结果如表1，除Mo元素略低于316L的标准外，其余元素含均在合格范围内，但大多在合格的下限，材料元素基本合格。排除了材料元素含量对断裂的影响。

二、金相分析

对断裂的热电偶进行金相取样分析，取样部位为距断口10mm处的套管横截面，图1为管壁中间位置的金相组织形貌，显示为奥氏体组织，晶内有滑移线及滑移台阶，在晶界及晶内滑移线上有块状及条状σ铁素体相析出，及部分晶界有碳化物析出。图2为靠近套管内表壁的金相组织形貌，显示为奥氏体组织，晶内有滑移线及滑移台阶，在晶界及晶内滑移线上有块状及条状σ铁素体相析出，同时晶界有晶间腐蚀。

三、显微硬度分析

我们对在含有σ相的金相试样上进行了显微硬度测试，硬度值在HV200-HV268之间变化，值高于316L钢奥氏体组织的硬度（HV180左右），在σ相析出比较多的地方显微硬度值稍高，σ相析出比较少的地方显微硬度略低不能完全的打在σ相，总体显微硬度值匀高于奥氏体的硬度。说明有σ相存在，纯σ相硬度值在HV700-1000之间[1]。

四、分析

此热电偶加工过程中套管为未经固溶处理的316L棒料钻孔，钻孔后进行酸洗工艺，进行清洗孔内冷却油脂；套管与法兰为承插式多层堆焊焊接，而断裂处为法兰与套管的连接的根部，离堆焊层很近，堆焊的反复焊接的过程中，温度刚好处σ相的析出范围内[2]，σ相是一种复杂四方结构的铁-铬化合物，在316L不锈钢中，σ相会富含铬、钼、硅等元素。σ相的析出会造成材料的韧性降低，硬度升高[3]。而套管组织中的σ相很可能是在堆焊过程中，在高温区停留时间过长造成的σ相析出。由于σ相硬而脆，析出过程中引起体积膨胀，引起晶界产生微裂纹，在外界应力的作用下发生扩展直至开裂，而此热电偶的工况为80-490℃交变温度变化，会生产交变应力，并伴有冷却水生产的水锤冲击振动，符合生产振动应力的条件，而且还有焦粉的冲击应力存在。这是引起裂纹扩展的主因，另外由于套管内壁加工过程中进行了酸洗工艺，套管内表面发生了晶间腐蚀，也是诱发其微裂纹开裂的辅助原因。

五、结论

由此我们可以得出以下结论：

（一）由于套管采用未经固溶热处理的棒材进行钻孔加工而成，与法兰焊接采用承插式堆焊焊接，反复的多次焊接造成套管在σ相析出的敏感温度停留时间过长，σ相析出，造成组织脆化，形成微裂纹。

（二）对316L不锈钢使用了酸洗工艺，造成套管内表面形成晶间腐蚀，降低了材料抗腐蚀强度，使晶界上的强度降低，诱发裂纹的产生；

（三）该焦碳塔进料口处的工况比较恶劣，伴有水锤的冲击振动，温度的剧烈交替变化，使热电偶会产生各种应力，加速了微裂纹的扩展，直致断裂。

参考文献：

[1]黄振东.钢铁金相图谱[M].北京：中国科学文化出版社.2005：479-480

[2]张家伟，黄美平，胡传顺，等.σ相对双相不锈钢堆焊层组织和性能的影响[J].热加工工艺：2007，36（19）：7-9

[3]孙金贵，叶锐曾，葛占英，等.σ相X光衍射定量相分析[J].冶金分析：1986，6（5）：53-55