奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9管板裂紋失效機(jī)理分析

魏志剛*，于明明，宋艷會(huì)，張友冬，張曉琴，劉達(dá)彬（中國(guó)石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧撫順 113008）

奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9管板裂紋失效機(jī)理分析

魏志剛*，于明明，宋艷會(huì)，張友冬，張曉琴，劉達(dá)彬
（中國(guó)石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧撫順 113008）

對(duì)出現(xiàn)開(kāi)裂后的材質(zhì)為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9的管板進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果表明，管板開(kāi)裂為脆性斷裂和正斷斷裂，裂紋從管板表面首先形成，低溫是管板變脆的原因，管程中的介質(zhì)使管板表面產(chǎn)生氧化層以及溫度差所產(chǎn)生的熱應(yīng)變循環(huán)作用是裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的原因。并對(duì)此類管板的制造與使用提出了建議。

裂紋；金相檢驗(yàn)；化學(xué)成分；殘余應(yīng)力；熱應(yīng)變；應(yīng)力腐蝕

1　前言

某化工廠冷火炬液氣化器在使用2a后出現(xiàn)滲漏。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋縱橫交錯(cuò)布滿整個(gè)管板表面，呈現(xiàn)出穿透型裂紋。管板的材質(zhì)為0Cr18Ni9，使用溫度260℃，管程介質(zhì)為乙烯（設(shè)計(jì)溫度為-125℃/265℃），殼程介質(zhì)為水蒸氣（設(shè)計(jì)溫度為265℃）。在這樣的材質(zhì)上產(chǎn)生脆性開(kāi)裂的穿透型裂紋，原因可能是應(yīng)力腐蝕、氫脆、晶間腐蝕、低溫冷脆、熱疲勞斷裂等因素所致，其產(chǎn)生的機(jī)理比較復(fù)雜，本文從現(xiàn)場(chǎng)金相分析和實(shí)驗(yàn)室金相分析兩個(gè)方面進(jìn)行分析與研究。

2　現(xiàn)場(chǎng)金相分析

2.1管板的宏觀裂紋形貌

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀察，可以發(fā)現(xiàn)管板的裂紋為脆性裂紋，裂紋周圍沒(méi)有明顯塑性變形。從圖1～4可以看到管板的表面有很多條裂紋，這些裂紋縱橫交錯(cuò)、參差不齊，呈龜裂狀，屬于多源裂紋；而且我們現(xiàn)場(chǎng)可以觀察到產(chǎn)生的裂紋已經(jīng)穿透管板，屬于穿透性裂紋。從產(chǎn)生裂紋的位置觀察，裂紋不僅產(chǎn)生在管板的表面，在沒(méi)有脹焊換熱管的位置、以及管板的邊緣處也產(chǎn)生了裂紋，見(jiàn)圖1～4。

圖1　開(kāi)裂管板的整體形貌

圖2　換熱管周圍裂紋的形貌

圖3　遠(yuǎn)離換熱管處的裂紋

圖4　管板邊緣處的裂紋

2.2管板的現(xiàn)場(chǎng)金相檢驗(yàn)

通過(guò)金相檢驗(yàn)可以看到，裂紋擴(kuò)展是穿過(guò)奧氏體晶粒的，擴(kuò)展過(guò)程中有枝杈，枝杈的伸展方向沿著奧氏體晶界方向，在開(kāi)裂的裂紋中可以看到剝落的顆粒，這些顆粒是由于金屬晶粒間的撕裂而產(chǎn)生，且在大裂紋附近有與其方向大致平行的小裂紋，在裂紋尖端的前方位置有新的裂紋產(chǎn)生，見(jiàn)圖5。

圖5　裂紋尖端及擴(kuò)展的組織形貌

3　實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)及分析

3.1裂紋的形貌

利用掃描電鏡發(fā)現(xiàn)管板表面上有氧化層，管板表面的裂紋呈現(xiàn)一定寬度的分叉狀，裂紋附近沒(méi)有產(chǎn)生塑性變形，可以判定是脆性開(kāi)裂，見(jiàn)圖6。將管板表面的氧化層經(jīng)過(guò)放大進(jìn)行觀察，可以看到管板表面的氧化層有大量的龜裂狀顯微裂紋，有的位置起層，有的位置產(chǎn)生剝落，此龜裂狀的裂紋是由于熱疲勞產(chǎn)生的，是該換熱器管板產(chǎn)生開(kāi)裂的起源點(diǎn)，見(jiàn)圖7～9。

圖6　管板表面管箱側(cè)裂紋的掃描電鏡（放大100倍）

圖7　管板表面管箱側(cè)微裂紋的掃描電鏡（放大500倍）

圖8　管板表面管箱側(cè)微裂紋的掃描電鏡（放大500倍）

圖9　管板表面管箱側(cè)微裂紋的掃描電鏡（放大1000倍）

3.2化學(xué)成分分析

由表1可見(jiàn)，含碳量略高于標(biāo)準(zhǔn)，硫含量略有超標(biāo)，鉻含量略低于標(biāo)準(zhǔn)。

表1　管板的化學(xué)成分分析

3.3實(shí)驗(yàn)室金相檢驗(yàn)

圖10～11是換熱器管板的金相組織圖。管板材料內(nèi)部組織為奧氏體，內(nèi)部晶粒大小均勻，晶粒度評(píng)級(jí)為5級(jí)［1］。

根據(jù)洞內(nèi)坍塌位置和坍塌情況確定地表注漿范圍，通過(guò)地面測(cè)量放樣確定地表孔位，施鉆機(jī)械圍繞金威啤酒廠沉淀池，按孔徑φ42mm，環(huán)向0.8m，水平間距延沉淀池邊緣往外1.6m，第二圈1.2m，外插角度應(yīng)大于85°，為避免沉淀池樁身的破壞，實(shí)際孔位布置將結(jié)合技術(shù)交底圖對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)造物的實(shí)際布局進(jìn)行合理調(diào)整。

圖10　管板的金相組織

圖11　管板的金相組織

3.4非金屬夾雜物檢驗(yàn)

圖12是管板的金相組織，可以看到其表面有顆粒狀的夾雜物。圖13是管板的能譜面掃描圖，從能譜分析可以確定管板表面的這些夾雜物是Al2O3夾雜物和硫化物。

圖12　管板中夾雜物的顯微組織

圖13　管板能譜面掃描成分分析

3.5性能檢驗(yàn)

對(duì)管板取樣進(jìn)行的彎曲試驗(yàn)，彎曲90°時(shí)，表面沒(méi)有裂紋，說(shuō)明此材料有一定的塑性和韌性；當(dāng)彎曲180°時(shí)，表面產(chǎn)生了大致平行的兩條裂紋，裂紋垂直最大正應(yīng)力，彎彎曲曲，見(jiàn)圖14。用微納米壓痕儀對(duì)管材測(cè)試硬度，硬度值在HV350左右，用微納米壓痕儀將壓痕壓在微裂紋上，裂紋沒(méi)有擴(kuò)展開(kāi)裂，沒(méi)有壓碎現(xiàn)象，說(shuō)明此材料在常溫下，具有良好的塑性，即常溫條件下應(yīng)力不會(huì)使裂紋產(chǎn)生脆性開(kāi)裂，見(jiàn)圖15～16。

圖14　管板材料冷彎試驗(yàn)圖

圖15　微納米壓痕儀測(cè)試的顯微硬度圖

圖16　壓頭壓在微裂紋上的組織形貌

4　綜合分析

4.1管板材質(zhì)

根據(jù)制造商提供的材質(zhì)證明，該換熱器管板的材質(zhì)為0Cr18Ni9。但通過(guò)化學(xué)成分分析顯示，該管板材質(zhì)并沒(méi)有達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。含碳量高、含鉻量低，這會(huì)使管板材料抗晶間腐蝕的能力下降；硫含量高，超出國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)形成非金屬硫化物，使管板材料的韌性下降。

4.2熱疲勞

有文獻(xiàn)指出，熱疲勞產(chǎn)生的裂紋大都是表面呈龜裂狀的多源裂紋，裂紋內(nèi)部呈枝杈狀或較平直，裂紋中常嵌入氧化物，其斷面被氧化物層所覆蓋，一般呈褐色或深灰［2-3］。本文研究的換熱器管板表面裂紋的形貌也是呈龜裂狀，內(nèi)部裂紋也呈現(xiàn)出枝杈狀，裂紋內(nèi)部嵌入有氧化物，管板的表面有大量的顯微裂紋，屬于明顯的熱疲勞特征，所以，可以判定該管板的開(kāi)裂存在熱疲勞影響因素。

4.3應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕是指在拉應(yīng)力作用下，金屬在腐蝕介質(zhì)中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過(guò)晶粒，即所謂穿晶腐蝕，應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致材料的斷裂稱為應(yīng)力腐蝕斷裂［4］。本文中研究的換熱器管板的開(kāi)裂屬于穿晶斷裂，實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)論與理論分析一致，說(shuō)明該換熱器管板的開(kāi)裂存在應(yīng)力腐蝕因素。

4.4低溫亞穩(wěn)定奧氏體轉(zhuǎn)化為α＇

有文獻(xiàn)研究，亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼（18Cr-8Ni）的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，由于裂紋尖端的塑性形變以及氫原子在裂紋尖端的擴(kuò)散和聚集，會(huì)促使尖端地區(qū)發(fā)生不同程度的γ-α'（奧氏體向馬氏體）轉(zhuǎn)變［5-6］。而0Cr18Ni9經(jīng)固溶處理是亞穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體不銹鋼，隨著溫度的降低，會(huì)有一部分馬氏體產(chǎn)生，而使強(qiáng)度升高脆性增大。從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，管板斷裂也由韌性的韌窩斷裂轉(zhuǎn)變成穿晶脆性斷裂，即解理斷裂，這與理論研究相符。

5　結(jié)論與建議

1）通過(guò)多管板的化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)該管板材料的化學(xué)成分與國(guó)標(biāo)不符，C、S含量高，Cr含量低，且?jiàn)A雜物多，建議選擇符合國(guó)標(biāo)的材料。

2）通過(guò)金相分析可以判定該管板的開(kāi)裂為脆性斷裂和正斷斷裂。裂紋的擴(kuò)展過(guò)程中有分叉現(xiàn)象，且裂紋是沿著奧氏體的某一晶界面開(kāi)裂的，說(shuō)明存在應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。建議在制造與裝配之前對(duì)管板鍛件進(jìn)行嚴(yán)格的無(wú)損檢測(cè)，杜絕鍛件表面和內(nèi)部存在缺陷。

3）通過(guò)對(duì)夾雜物分析，發(fā)現(xiàn)裂紋首先從管板的表面形成，表面氧化層上的顯微裂紋是裂紋形成的起源點(diǎn)，建議制造與裝配前去除鍛件表面氧化物，提高換熱器管板的加工精度。

4）低溫是管板材料變脆的原因，該換熱器管程介質(zhì)使管板表面產(chǎn)生氧化層，加上換熱管板的溫度差所產(chǎn)生的熱應(yīng)變循環(huán)作用，導(dǎo)致?lián)Q熱器管板產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，建議在管板生產(chǎn)加工過(guò)程中，對(duì)鍛件的固溶處理采用深冷處理，防止材料在使用過(guò)程中從奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變。

5）建議用戶精心操作，在投用換熱器過(guò)程中先對(duì)其進(jìn)行升溫，之后室乙烯氣化，避免由于溫差過(guò)大是管板材料生產(chǎn)熱應(yīng)力。

［1］ GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測(cè)定法［S］.

［2］ 王賓.強(qiáng)化奧氏體不銹鋼/鋼雙金屬連鑄輥研究［J］.太原科技大學(xué)，2011：54-59.

［3］ 王麗營(yíng)，邢修三.熱疲勞非平衡統(tǒng)計(jì)理論［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21（2）：151-156.

［4］ 徐在林.應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理探討［J］.化工裝備技術(shù)，1994（3）：48-51.

［5］ 王輝綿，喬玉，白晉鋼，等.亞穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼盤條形變馬氏體α'影響因素研究［C］.//中國(guó)鋼鐵年會(huì).2001.

［6］ 陳海云，褚玲愛(ài)，盛水平，等.奧氏體不銹鋼封頭的形變馬氏體含量檢測(cè)與影響因素［J］.理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè)，2012：779-783.

The Mechanism Analysis of Crack Failure on Tube Plate Which Material is Austenitic Stainless Steel 0Cr18Ni9

Wei Zhi-gang*，Yu Ming-ming，Song Yan-hui，Zhang You-dong，Zhang Xiao-qin，Liu Da-bin

Investigated the tests of the tube plate which material is Austenitic Stainless Steel 0Cr18Ni9 field and laboratory.Through experiment and theoretical analysis results show that the tube plate cracking for brittle fracture and normal fault rupture，crack from the surface of the tube plate forming first，low temperature is the cause of the tube plate brittle，medium in tube side make the tube plate surface oxide layer and the temperature difference of thermal cycle of role strain is the cause of crack generation and propagation.And put forward some advices for manufacture and use of such tube plate.

crack；metallographic examination；chemical composition；residual stress；thermal strain；stress corrosion

TG161

B

1003-6490（2016）05-0115-03

2016-05-11

魏志剛（1981—），男，河南濮陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛み^(guò)程機(jī)械。