保溫層下不銹鋼應力腐蝕開裂解析

杜凡

摘? ?要：通過對加熱器封頭裂紋的特點以及現場情況的分析，論證了其發生泄露的主要原因是應力腐蝕開裂，并提出了應力腐蝕開裂的控制措施。

關鍵詞：不銹鋼;應力腐蝕;開裂;控制

1? ? 開工加熱器概述

1.1? 設備參數及工況

該換熱器為臥室換熱器，外部包有熱保溫。主要用途為預熱原料。主要技術參數如表1所示。

1.2? 失效原因分析

裝置運行5年后，經過大修重新開車投用時，在管箱封頭環焊縫處出現穿透性裂紋，造成內部管程工藝物料泄露。

1.2.1? 設備結構圖及發現缺陷位置特點

在該設備（見圖1）正上方，有一條冷凍水管線，該管線在天氣炎熱且濕度大的季節就會在管線外形成冷凝水，冷凝水正好滴在該換熱器管箱封頭上，在拆開管箱封頭的保溫時發現保溫中有水。

1.2.2? 裂紋特點

經外觀檢查發現，管箱封頭直邊處存在多條垂直于環焊縫的裂紋缺陷。金相復膜分析（見圖2）裂紋由外壁向縱深發展，外觀呈樹枝狀主裂紋粗鈍，裂紋即有穿晶型的，也有沿晶型的，屬于典型的不銹鋼應力腐蝕裂紋。圖3為裂紋整體形貌，可以看出裂紋是由外壁向內壁發展。

1.2.3? 分析結果

利用光譜儀對開裂部位取樣進行光譜分析，其材料確實為304L奧氏體不銹鋼，實測化學成分數據如表2所示。

現場對裂紋處的腐蝕殘留物進行EDX能譜分析，檢測發現氯離子質量分數達到了500×10-6。同時，對現場保溫棉中的冷凝水采樣進行氯離子質量分數分析，發現只有5×10-6，但是這說明保溫層中的氯離子會溶解到水中。雖然水中的氯離子質量分數并不高。但是當凝液水接觸到100 ℃的管程封頭金屬表面，水分被蒸發，水中的氯離子不斷地富集，最終達到或超過200×10-6的奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂SCC敏感濃度。該裂紋處于封頭的直邊段，在封頭的旋壓成型過程中，直邊段的型變量是最大的。由于沒有做固溶處理，該處的內殘余應力也是最大的，這也給應力腐蝕開裂SCC提供了充足的應力條件。100 ℃的工作溫度，500×10-6的氯離子質量分數，0.5 MPa的工作壓力以及設備制造殘余應力為此處的應力腐蝕開裂提供了完美的條件。

1.2.4? 應力腐蝕開裂的機理

（1）應力腐蝕產生條件：一是具備足夠大的拉伸應力（不論是殘余應力還是外加應力，或者兩者兼而有之）;二是要有特定的腐蝕環境（不銹鋼在含鹵素離子的鹽溶液中，尤其是含Cl的中性溶液中易孔蝕）;三是金屬材料要具備特定的合金成分和組織[1]（不銹鋼制造過程中，硫化物局部高濃度聚集，周圍鉻元素降低，鉻氧化物能防腐，因而低濃度鉻區最先產生腐蝕）。

（2）應力腐蝕的機理：就不銹鋼應力腐蝕機理而言，主要解釋學說有電化學陽極溶解理論、氫脆理論、鈍化膜破理論、吸附理論等等，業內普遍認可為：在較大應力作用下，金屬材料的原子處于不穩定的高能狀態，在特定的腐蝕介質作用下，原子容易失去電子而使材料遭受腐蝕，進而發生脆裂，即產生微裂紋;由于微裂紋的應力集中效應，使材料的脆裂得以快速擴大，最終導致材料斷裂[2]。

（3）操作環境的影響：操作溫度在60 ℃以上，長期暴露在氯離子環境中的奧氏體不銹鋼材料易發生應力腐蝕開裂SCC。

（4）應力腐蝕開裂的過程：在拉應力的作用下，錯位沿著滑移面運動，在金屬表面產生滑移臺階，表面鈍化膜產生局部破裂，裸露出活潑的金屬。在有鈍化膜和無鈍化膜金屬或者缺陷處形成鈍化—活化微電池。伴隨陽極溶解產生陽極極化，使陽極周圍鈍化，在腐蝕坑及裂紋尖端周圍重新形成鈍化膜。隨后在拉應力作用下，造成腐蝕坑底部的裂紋尖端處應力集中，使鈍化膜再次破裂，形成新的活性陽極區。上述過程如此反復，最終造成縱深穿晶的裂紋[3]。

（5）氯離子對奧氏體不銹鋼產生的應力腐蝕的貢獻：主要是氯離子富集濃度增高加速了材料表面鈍化膜的破壞，縮短了應力腐蝕孕育期。奧氏體不銹鋼在氯化物介質中的臨界應力值約：3～5 kg/mm2。

2? ? 應力腐蝕開裂的控制

該設備的失效模式是典型應力腐蝕開裂，結合現場的情況及設備運行參數，我們需要采取一些措施來避免同樣的問題再次發生。

（1）該設備上方的管道之所以會產生凝液水滴落，主要原因是其冷保溫質量不好，造成冷量外漏產生凝液水。

（2）不銹鋼設備的保溫一定要做好防水措施，保溫鋁皮的接縫處一定要打密封膠。

（3）不銹鋼的保溫層下腐蝕主要來源于應力腐蝕開裂，因此，不銹鋼設備在法定檢驗過程中一定要做外表面的PT著色無損探傷。

（4）有條件的情況下，在采購新的不銹鋼設備時要求生產廠家對不銹鋼設備進行整體的去應力熱處理，可以有效地減少內應對設備服役過程中應力腐蝕開裂失效的貢獻。

3? ? 結語

應力腐蝕開裂的失效模式在化工廠的生產運行中極為常見，了解其失效的機理和條件為設備維修工程師進行設備管理提供了理論支持。一方面，從設計根源上詳細了解設備的使用參數及工況，考慮腐蝕環境，嚴格執行標準規范，并采取防水控氯、焊后熱處理等預防手段。另一方面，設備在運行過程中的操作環境的多樣性及檢修的保溫層安裝防護也是不可忽視的重要因素。

[參考文獻]

[1]胡? ?方.化工設備中奧氏體不銹鋼的應力腐蝕和防護[J].化工設備與管道，2002（3）：51.

[2]劉建洲.奧氏體不銹鋼的應力腐蝕及其防護[J].石油化工設備技術，2010，31（4）：49.

[3]楊宏泉，段永峰.奧氏體不銹鋼的氯化物應力腐蝕開裂研究進展[J].全面腐蝕控制，2017（4）：13-15.