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高溫環境下Cr20Ni32Nb鑄造管開裂原因分析

文檔作者：宿偉毅文檔來源：中國石油獨山子石化分公司機動設備處		更新日期： 2026年05月28日	點擊數：
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上一篇：高溫環境下焦爐設備的維護措施研究

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失效分析石油化工腐蝕與防護ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ＆ＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＩＮＰＥＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０２３年第４０卷第３期
引用格式：宿偉毅．高溫環境下Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鑄造管開裂原因分析［Ｊ］．石油化工腐蝕與防護，２０２３，４０（３）：５６５９．　　ＳＵＷｅｉｙｉ．Ｃｒａｃｋｉｎｇｃａｕ
ｓｅｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂｃａｓｔｐｉｐｅｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ＆ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＩｎｄｕｓｔｒｙ，２０２３，４０（３）：５６５９．
高溫環境下Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鑄造管開裂原因分析
宿偉毅
（中國石油獨山子石化分公司機動設備處，新疆獨山子８３３６９９）
摘要：在乙烯裂解裝置高溫裂解氣環境下運行的鑄造Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼帶叉錐體發生了開裂。
采用宏觀檢查、超聲波檢測、光譜分析和金相分析等方法對開裂帶叉錐體的損傷形貌、剩余壁厚、
金屬化學成分及金相組織形貌進行了檢測，結果表明，帶叉錐體的失效形式為蠕變開裂。鑄造
Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼帶叉錐體長期服役在高溫、拉應力環境下，其金相組織中的枝晶間碳化物逐漸溶解
并發生蠕變變形，大量的蠕變孔洞在晶界處相互連接形成裂紋，裂紋沿晶界不斷擴展，最終導致帶
叉錐體發生開裂。
關鍵詞：高溫環境；蠕變；開裂；Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼；帶叉錐體
收稿日期：２０２２１２２３；修回日期：２０２３０２０３。
作者簡介：宿偉毅（１９８０—），本科，高級工程師，２００５年畢業
于遼寧石油化工大學過程裝備與控制工程專業，現在獨山子
石化公司從事設備管理工作。Ｅｍａｉｌ：ｙｘｃｊ＿ｓｗｙ＠ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ．
ｃｏｍ．ｃｎ
　　線性急冷換熱器（ＬＱＥ）是乙烯裂解裝置的關
鍵換熱設備，其絕熱段停留時間短、無裂解氣流量
分配問題，具有流線型設計、大換熱管內徑、運轉
周期長和采用蒸汽空氣進行在線燒焦等工藝和
結構特點，在乙烯裂解裝置被廣泛應用。線性急
冷換熱器在乙烯裂解裝置的主要作用：將來自裂
解爐輻射段的８５０℃左右的高溫裂解氣快速冷卻
至裂解反應停止的溫度（即４３０～５５０℃，甚至更
低），以減少烯烴損失，提高乙烯收率；同時，通過
高溫裂解氣與鍋爐水換熱產生高壓蒸汽，從而實
現廢熱回收、節能降耗的目的。
某石化公司乙烯裂解裝置于２００９年開工運
行，生產規模為１Ｍｔ／ａ，２０１９年經過擴能改造后
生產規模達到１．１Ｍｔ／ａ，共有９臺裂解爐，均采用
線性急冷換熱器，為雙套管式結構。２０２１年１月
２５日，巡檢時發現２號裂解爐第３組線性急冷器
附近有輕微的烴類氣體氣味，檢測后發現裂解氣
泄漏，裝置隨后就接通氮氣應急備用并監控運行。
檢查發現在２號裂解爐第３組線性急冷器第７根
帶叉錐體的外叉表面有六處裂紋，隨后就停爐進
行焊接修復處理。裂解爐線性急冷器帶叉錐體開
裂和裂解氣泄漏，嚴重影響了裂解爐的安全運行。
１　設備調查及檢測
１．１　設備結構及參數
帶叉錐體作為線性急冷換熱器的主要構件，
在線性急冷換熱器的運行過程中發揮著重要的作
用，其上部與線性急冷換熱器的換熱管連接，下部
與輻射段爐管連接，承載著大部分爐管的質量。
乙烯裝置每臺裂解爐有８組線性急冷換熱器，每
組線性急冷換熱器通過１２根帶叉錐體與１２根輻
射段爐管相連接。為增強帶叉錐體在高溫環境下
的承重能力，其運行工況下表面不設置保溫層，而
是裸露在空氣中。帶叉錐體各部分名稱分別為入
口、外叉、內叉和隔熱層，其結構剖面見圖１。
圖１　帶叉錐體結構剖面示意
帶叉錐體為靜態鑄造件，其運行參數：介質為
裂解氣，操作溫度為８５０℃，操作壓力為１２０ｋＰａ，
材質為Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ。其化學成分見表１。
５６
　　
第３期宿偉毅．高溫環境下Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鑄造管開裂原因分析失效分析
表１　帶叉錐體化學成分ｗ，％
元　素Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｎｂ Ｍｏ
標準值０．０８～０．１６ ≤１．５０ ≤１．２５ ≤０．０３ ≤０．０３ １９．０～２２．０ ３１．０～３４．０ １．０～２．０ ≤０．５
１．２　開裂形貌
２號裂解爐第３組線性急冷器第７根帶叉錐
體（以下簡稱為３７帶叉錐體）外叉表面的裂紋形
貌見圖２。由圖２可見，帶叉錐體外叉表面有６
處裂紋，均呈軸向擴展，且有４處裂紋開裂較為嚴
重，已發展成為穿透性裂紋，其余９５個帶叉錐體
表面均無開裂現象。對２號裂解爐８組線性急冷
器９６根帶叉錐體進行了滲透檢測，９５根帶叉錐
體均未發現缺陷，僅３７帶叉錐體外叉表面出現
大量的網狀裂紋（見圖３）。
圖２　帶叉錐體外叉表面裂紋
圖３　帶叉錐體外叉表面滲透檢測裂紋
１．３　理化分析
對２號裂解爐第３組線性急冷器１２根帶叉
錐體（３１２帶叉錐體）外叉、入口進行了超聲測
厚，測量結果見表２。由表２可知，１２根帶叉錐體
的外叉及入口壁厚均大于其設計值８．０ｍｍ，未見
明顯減薄。由于帶叉錐體為鑄造件，其各部位壁
厚值存在一定差異。
表２　３１２帶叉錐體超聲測厚ｍｍ
測厚部位
帶叉錐體編號
１ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２
帶叉錐體外叉８．６９ ８．２０ ８．６８ ９．２６ ８．４８ ８．２３ ８．０５ ８．４１ ９．２３ ８．４７ ８．６１ ８．４６
帶叉錐體入口９．２０ ９．１１ ９．５０ ８．８５ ９．３８ ９．３１ ９．４９ ９．１１ １０．１３ ９．０１ ８．９０ ９．３８
　　對２號裂解爐３７帶叉錐體以及與其相鄰的
未發生開裂的３８帶叉錐體進行現場化學成分檢
測和金相組織檢測，以便進行對比。兩根帶叉錐
體化學成分一致，均為Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ，化學成分符
合材質要求。兩根帶叉錐體現場金相組織檢測結
果分別見圖４和圖５。
圖４　３７帶叉錐體（開裂）外叉表面金相照片
圖５　３８帶叉錐體（未開裂）外叉表面金相照片
由圖４可知，３７帶叉錐體外叉表面的金相組
織為奧氏體基體＋共晶碳化物的鑄態組織結構，
少量共晶碳化物呈骨架狀分布在基體中，裂紋沿
晶界擴展，并呈網狀，主裂紋上有分支裂紋。由
圖５可知：３８帶叉錐體外叉表面的金相組織為奧
氏體基體＋共晶碳化物的鑄態組織結構，大量共
５７
　　
失效分析石油化工腐蝕與防護２０２３年第４０卷
晶碳化物呈骨架狀分布于基體中，且共晶碳化物
致密度明顯高于３７帶叉錐體。
２　結果及討論
２．１　溫度的影響
Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼具有優良的焊接性能、較高的
熱強性及抗蠕變性能，被廣泛應用于熱壁管材料，
然而，若長期服役在高溫條件下（如７５０～９５０℃），
該材料也會發生蠕變、氧化、熱疲勞等損傷［１２］。
帶叉錐體的工藝介質為來自裂解爐輻射段的高溫
裂解氣，操作溫度為８５０℃，其下部與輻射段爐管
相連接，因承擔爐管質量而受到垂直向下的拉應
力。長期服役在高溫環境下，帶叉錐體在較大應
力的作用下緩慢發生蠕變，大量的蠕變孔洞在晶
界處萌生，降低了材料的抗蠕變性能，在高溫環
境和較大應力的作用下蠕變孔洞進一步長大，
致使相鄰的孔洞互相連接或融合，在晶界處形
成鋸齒狀的裂紋［３］，而后在應力作用下裂紋沿
晶界不斷擴展，最終導致帶叉錐體發生開裂。
倪瑩瑩等［４］采用ＪＢＧ３００型沖擊試驗機對
Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼集氣管進行了常溫至９００℃的沖
擊試驗，結果表明：隨著溫度的升高，沖擊功沒有
明顯的變化；當溫度超過６００℃后，材料的沖擊功
開始降低，沖擊斷口中存在較多粗而深的裂紋，韌
窩較淺，同時存在少量孔洞；９００℃時，斷口中存
在較多粗而深的裂紋，還存在較多絮狀物質。
此外，現場帶叉錐體應直接裸露在空氣中，表
面禁止覆蓋保溫層，確保充分散熱。帶叉錐體在
相對低溫下工作，有利于抵抗高溫蠕變失效。
２．２　設備結構的影響
由于帶叉錐體在高溫環境中服役，且要承受
較大的拉應力，存在發生高溫蠕變開裂的風險，為
了提高帶叉錐體抵抗高溫蠕變風險的能力，其在
結構設計上采取了多方面的防護措施。為防止高
溫蠕變，帶叉錐體上部結構為內叉、外叉雙層管壁
設計，且內叉、外叉兩層管壁中間添加隔熱層，防
止接觸８５０℃的高溫裂解氣的內層管壁（內叉）
將熱量傳遞到外層管壁（外叉），降低了外叉的服
役溫度，也保證了外叉的足夠強度，有效預防了外
叉因長期在高溫環境中服役而發生蠕變；為了避
免應力集中，帶叉錐體外叉與線性急冷器的連接
件焊接在一起，主要作用是將與其下部相連接的
輻射段爐管的質量傳遞到線性急冷器上，因此，外
叉受到來自爐管的較大的拉應力，而內叉主要為
裂解氣導流。內叉、外叉之間添加了隔熱層，降低
了外叉的溫度，提升了帶叉錐體在高溫環境中的
抵抗拉應力的能力。此外，帶叉錐體內叉工作溫
度為８５０～８７０℃，外叉工作溫度為２５０～３７０℃，
內、外叉溫度差很大，致使其受到較大的溫差應
力［５］。為了降低溫差應力，在內外叉之間設置空
腔，并在空腔內填充輕質耐火澆注料或硅酸鋁纖
維棉等耐火隔熱材料，可以避免帶叉錐體因內、外
叉溫差大而產生較大的溫差應力，從而降低了發
生應力開裂的風險。
２．３　材質的影響
由未發生開裂的３８帶叉錐體金相組織檢測
結果可知，鑄造Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼的金相組織為奧氏
體基體＋枝晶碳化物的鑄態組織結構，大量枝晶
碳化物呈骨架狀分布于基體中，且具有較高的致
密性，這種組織結構可以很好地阻礙晶界的滑動，
提高材料的抗蠕變性能。但由于帶叉錐體長期服
役在高溫環境中，導致鑄造Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼的金相
組織發生變化，即部分奧氏體晶粒逐漸長大，而共
晶碳化物則逐漸溶解，這一變化與發生開裂的
３７帶叉錐體金相組織檢測結果相吻合。３７帶
叉錐體長期在高溫環境中服役，其金相組織中的
枝晶碳化物發生溶解，僅有少量的枝晶碳化物呈
骨架狀分布在基體中，大大降低了材料的強度及
其抗蠕變性能；在爐管較大拉應力的作用下，帶叉
錐體發生蠕變變形。隨著帶叉錐體服役時間的延
長，在高溫及拉應力的共同作用下大量的蠕變孔
洞在晶界處萌生，并不斷長大，相鄰的蠕變孔洞相
互連接形成裂紋，裂紋不斷擴展，最終導致帶叉錐
體發生開裂。
２號裂解爐９６根帶叉錐體的運行工況、工藝
參數和材質均相同，且均已運行１３ａ，但僅有一根
帶叉錐體發生開裂，其余９５根均無任何開裂跡
象。３７帶叉錐體發生開裂的原因可能是存在某
種制造缺陷，但是由于現場生產條件限制無法對
其進行更進一步的取樣分析，不能確定其具體的
制造缺陷，為了降低裂解爐的安全運行風險，更換
開裂的３７帶叉錐體。考慮到帶叉錐體在高溫環
境下運行時間較長，已接近使用壽命，后期可能會
有更多的帶叉錐體陸續發生開裂，勢必對裂解爐
的安全運行帶來風險，因此在裂解爐停爐期間對
帶叉錐體進行１００％滲透檢測及金相檢測，一旦
發現帶叉錐體出現較多數量的裂紋缺陷就應及時
進行全部更換。
５８
　　
第３期宿偉毅．高溫環境下Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鑄造管開裂原因分析失效分析
３　結　論
（１）帶叉錐體的失效形式為高溫蠕變開裂，
裂紋呈網狀，并沿晶界擴展，部分裂紋已發展成為
穿透性裂紋。
（２）鑄造Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼帶叉錐體長期在高
溫、拉應力環境下服役，其金相組織中呈骨架狀分
布的枝晶碳化物逐漸溶解，大量的蠕變孔洞在晶
界處萌生，并相互連接形成裂紋，裂紋沿晶界不斷
擴展，最終導致帶叉錐體發生開裂。
（３）鑒于鑄造Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂ鋼帶叉錐體運行
時長已達１３ａ，為預防裂解爐運行過程中大量帶
叉錐體突發開裂，建議利用裂解爐停爐期間對全
部帶叉錐體進行現場滲透檢測及金相檢測，一旦
發現裂紋隱患即予以及時補焊或更換。
參考文獻
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（編輯　張向陽）
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ＳＵＷｅｉｙｉ
（ＭｏｂｉｌｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔＤｉｖｉｓｉｏｎｏｆＰｅｔｒｏＣｈｉｎａＤｕｓｈａｎｚｉＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＣｏｍｐａｎｙ，
Ｄｕｓｈａｎｚｉ８３３６９９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂｆｏｒｋｅｄｃｏｎｅｃｒａｃｋｅｄｉｎａｎｅｔｈｙｌｅｎｅｃｒａｃｋｉｎｇｕｎｉｔｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｒａｃｋｉｎｇｇａｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｅ
ｍｅｔｈｏｄｓｓｕｃｈａｓｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｅｓｔｉｎｇ，ｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ａｎｄｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｖａｌ
ｕａｔｅｄａｍａｇｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ，ｒｅｓｉｄｕａｌｗａｌｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｍｅｔａｌｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅ
ｃｒａｃｋｉｎｇｆｏｒｋｅｄｃｏｎｅ．Ｉｔｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｆｏｒｍｏｆｆｏｒｋｅｄｃｏｎｅｉｓｃｒｅｅｐｃｒａｃｋｉｎｇ．Ｕｎｄｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｎｔｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｃｃａｒｂｉｄｅｓｉｎｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｏｒｋｅｄｃｏｎｅｇｒａｄｕａｌｌｙｄｉｓｓｏｌｖｅａｎｄｕｎｄｅｒｇｏｃｒｅｅｐｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．
Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｃｒｅｅｐｐｏｒｅｓｃｏｎｎｅｃｔｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒａｔｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ，ｆｏｒｍｉｎｇｃｒａｃｋｓ．Ｔｈｅｎｔｈｅｃｒａｃｋｓｃｏｎｔｉｎｕｅｔｏｅｘｐａｎｄ
ａｌｏｎｇｔｈｅｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ，ｕｌｔｉｍａｔｅｌｙｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｔｈｅｆｏｒｋｅｄｃｏｎｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｃｒｅｅｐ；ｃｒａｃｋ；Ｃｒ２０Ｎｉ３２Ｎｂｓｔｅｅｌ；ｆｏｒｋｅｄｃｏｎｅ
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