304不銹鋼盤管開裂失效分析

李少東，夏明六

(銅陵市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心,安徽 銅陵 244000)

304不銹鋼盤管開裂失效分析

李少東，夏明六

(銅陵市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗中心,安徽 銅陵 244000)

采用宏觀檢查、微觀分析、力學(xué)性能、斷口微觀形貌等方法對某換熱器304不銹鋼盤管開裂進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該盤管的開裂屬于高溫高壓水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂，盤管工作應(yīng)力和殼程水蒸汽中的溶解氧共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕，最終導(dǎo)致盤管開裂。

304不銹鋼 ;應(yīng)力腐蝕 ;失效分析

制氫用換熱器為制氫裝置的石腦油蒸發(fā)器，殼程由兩種材料焊接，上部為13CrMo44鋼，下部為304不銹鋼，管程為304不銹鋼盤管。管程設(shè)計壓力為3.8MPa，工作壓力為3.45MPa，進(jìn)出口溫度分別為40℃和360℃；殼程設(shè)計壓力為3.1MPa，工作壓力為2.77MPa，進(jìn)出口溫度分別為423℃和333℃。管程介質(zhì)為輕石腦油、液化氣和天然氣混合物，殼程介質(zhì)為高變氣，高變氣成分為30%氫氣+一氧化碳+甲烷和70%高溫高壓水蒸汽。該公司兩套此類裝置在使用過程中均發(fā)現(xiàn)換熱器管程304盤管環(huán)向開裂。

1 試驗方法與結(jié)果

1.1 宏觀分析

圖1為304不銹鋼盤管宏觀照片。從圖中可以看出，304不銹鋼盤管表面為環(huán)向裂紋，裂紋總長度約60mm，距離焊縫約40mm，裂紋端部有分叉，且遠(yuǎn)離焊縫及熱影響區(qū)，此次開裂與焊縫應(yīng)無直接聯(lián)系。304不銹鋼盤管斷口平整，沒有管壁減薄和凸起等塑性變形現(xiàn)象，表明該斷口為脆性斷口，盤管開裂為脆性開裂。另，從盤管工作壓力的穩(wěn)定性可排除疲勞斷裂可能[1]。

圖1 304不銹鋼盤管宏觀斷口

Fig.1 Macrograph and fracture surface of the 304 Stainless Steel Tubes

1.2 微觀分析

304不銹鋼盤管的微觀金相組織照片見圖2。由圖2(a)可知，304不銹鋼盤管微觀組織由單相奧氏體組織及少量碳化物組成，且晶粒度較大(約3級)，碳化物分布均勻，未發(fā)生晶間碳化物大量析出現(xiàn)象，據(jù)此可排除晶間敏化可能。晶粒內(nèi)有大量孿晶和滑移線出現(xiàn)，孿晶是奧氏體的主要塑性變形方式，表明304不銹鋼盤管承受較大的應(yīng)力。由圖2(b)、(c)可知，裂紋由盤管外表面萌生并向盤管內(nèi)表面發(fā)展，直至穿透管壁發(fā)生泄漏失效。裂紋為穿晶型裂紋，除主裂紋外，還有少量二次裂紋存在，二次裂紋數(shù)量少且發(fā)展程度有限，據(jù)此可排除發(fā)生晶間腐蝕破裂的可能[2，3]。該盤管外表面周向主裂紋垂直于表面沿壁厚方向向內(nèi)部發(fā)展，可判定盤管開裂與軸向拉應(yīng)力相關(guān)。

圖2 304不銹鋼盤管微觀組織

Fig.2 Microstructure of the 304 Stainless Steel Tubes

1.3 力學(xué)性能

該盤管力學(xué)性能檢測結(jié)果見表1。由表1可知，盤管抗拉強(qiáng)度平均值為499.5MPa，與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值相比略低；伸長率約57%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；斷面收縮率約38%，略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上，304不銹鋼盤管的力學(xué)性能基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 304不銹鋼盤管力學(xué)性能分析結(jié)果

1.4 斷口形貌

圖3 盤管微觀斷口形貌

Fig.3 SEM micro-morphology of fracture surface of the 304 Stainless Steel Tubes

該盤管斷口表面的觀形貌見圖3，由圖3可知，斷口表面覆蓋大量腐蝕產(chǎn)物，對腐蝕產(chǎn)物的成分分析結(jié)果見表2，成分分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe、O、S等三種元素，即腐蝕產(chǎn)物主要由氧化鐵和少量硫化鐵組成?？紤]到裂紋是由盤管外壁萌生向內(nèi)發(fā)展及管程內(nèi)含有少量硫化氫而殼程不含有硫化氫等因素，可判斷硫元素是由于盤管發(fā)生穿透泄漏后受管內(nèi)介質(zhì)的硫污染(腐蝕)所致。殼程介質(zhì)中氧腐蝕作用是造成斷裂發(fā)生的主要因素[5]。斷口表面還可辨別出塑性變形撕裂痕跡(撕裂棱)，表明該斷口在形成過程中同樣遭受應(yīng)力的作用，該304不銹鋼盤管的開裂系由應(yīng)力和腐蝕的共同作用造成，屬于應(yīng)力腐蝕開裂[6]。

表2 304不銹鋼盤管斷口腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果

2 綜合分析

在高溫高壓水蒸汽中，304不銹鋼經(jīng)常會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂破壞，且主要影響因素是水蒸汽中的溶解氧和氯離子濃度，有研究資料表明，當(dāng)高溫水蒸汽(288℃)中含有1ppm溶解氧時，即導(dǎo)致304不銹鋼發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂破壞，而304不銹鋼盤管的工作溫度遠(yuǎn)高于該溫度，且該盤管的工作壓力較高，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的可能進(jìn)一步提高。另，微量的氯離子存在以及不銹鋼的敏化作用也會促進(jìn)304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂，由于目前尚未檢測到氯離子存在，且未發(fā)現(xiàn)不銹鋼的敏化現(xiàn)象，因此可不考慮這兩種因素作用。確認(rèn)該304不銹鋼盤管開裂屬高溫高壓水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂[7]。

抗高溫高壓水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂的典型鋼種為Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金和Inconel600鎳基耐蝕合金，Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金具有更加優(yōu)良的抗高溫水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂性能，在300℃含8ppm溶解氧的高溫水蒸汽中的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能遠(yuǎn)優(yōu)于304不銹鋼，明顯優(yōu)于Inconel600鎳基耐蝕合金。Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金含鎳量約為32%，而Inconel600鎳基耐蝕合金含鎳量則高達(dá)75%，因此選用Incoloy800替代Inconel600制造盤管不僅有效避免高溫水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂，還可顯著降低材料成本。

3 結(jié)論和建議

(1)該不銹鋼盤管開裂屬高溫高壓水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂，盤管的工作應(yīng)力和殼程水蒸汽中的微量溶解氧共同導(dǎo)致了盤管的開裂；

(2)從抗高溫高壓水蒸汽應(yīng)力腐蝕開裂性能和材料成本因素考慮，可以采用Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金替代304不銹鋼盤管；

(3)建議對換熱器殼體進(jìn)行同樣材料的更換，避免采用304不銹鋼制造殼體，杜絕換熱器殼體發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

[1] 戴起勛.金屬材料學(xué)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005: 123-138.

[2] 國家質(zhì)檢總局. GB/T 21433-2008不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3] 余曉飛．304、306不銹鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2007:11-13.

[4] 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T14976-2002 流體輸送用不銹鋼無縫管[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[5] 鐘群鵬，趙子華．?dāng)嗫趯W(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2006:291-295.

[6] 魏寶明．金屬腐蝕理論及應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1984：156.

[7] 張振杰．奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂探討[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2006(2):48-51.

(本文文獻(xiàn)格式：李少東，夏明六.304不銹鋼盤管開裂失效分析[J].山東化工，2016，45(12)：89-91.)

Failure Analysis on Fracture of the 304 Stainless Steel Tubes

Li Shaodong, Xia Minglu

(Center of Tongling special equipment supervision and Inspection, Tongling 244000, China)

Failure analysis of the 304 Stainless Steel Tubes was carried out based on macroscopic analysis, mechanical properties analysis, microstructure analysis, SEM fracture surface analysis. The results showed that the 304 Stainless Steel Tubes was stress corrosion cracking. The content of working stress and dissolved oxygen in water vapor were over standard and the high temperature and high pressure the fracture jointly.

304 stainless steel ; stress corrosion; failure analysis

2016-04-15

李少東(1983—)，安徽六安人，助理工程師，壓力容器檢驗員，主要從事特種設(shè)備檢驗檢測工作。

TG172.9

A

1008-021X(2016)12-0089-03