某奧氏體不銹鋼壓力容器硬度異常分析

黃志鵬

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

奧氏體不銹鋼通常被認為具有良好的綜合力學和加工工藝性能，同時具有耐腐蝕、耐高溫等優秀性能，因此已被廣泛運用于壓力容器制造領域[1]。近幾年來，隨著我國石油化工和設備制造行業的發展，各項目中使用奧氏體不銹鋼制造設備的情況越來越多，其用量也越來越大，相應的奧氏體不銹鋼失效事例也越來越多[2]。分析這些失效事例，由于奧氏體不銹鋼材料硬度異常導致的失效最為常見。文中針對某個奧氏體不銹鋼檢驗過程中碰到的材料硬度異常案例，分析產生該現象的原因，根據分析結果在設備制造和使用過程中提出幾點建議。

1 設備檢驗結果

根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》[3]第8章的規定，對某個奧氏體不銹鋼設備進行硬度檢測，該設備的基本情況如表1所示。

表1 設備概況表

對該設備上、下封頭進行硬度檢測時發現封頭直邊段及扳邊過渡段硬度值存在超標異常的情況，硬度值由封頭中心（硬度值為190HB）向兩側逐漸增加，在直邊段達到最高值385HB。檢測部位和相應的硬度檢測值見圖1和表2。

圖1 硬度及鐵素體檢測部位

表2 硬度及鐵素體檢測部位對應數值

從檢測結果可以看出，直邊段和扳邊過渡段的硬度值遠大于《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》[4]中材料硬度不大于201HB的規定。雖然《鋼制化工容器制造技術要求》[5]中對于有耐腐蝕要求的容器在成型后表面硬度值大于235HB時應進行固溶處理的要求，但是《固定式壓力容器安全技術監察規程》[3]和《承壓設備損傷模式識別》[6]中并無超過硬度限值該設備如何處理的相關規定，因此在檢驗過程中調整了檢驗方案，增加了材料元素分析、材料鐵素體含量檢測、金相分析和封頭內外表面100%滲透檢測，檢測結果如下：

（1）采用全定量光譜儀對封頭金屬材料中的各元素含量進行檢測，并查閱容器出廠資料中封頭的材料表并對比材料的制造標準，結果表明：封頭部位元素含量在標準范圍內，符合標準規范要求，不存在材料使用方面的問題。

表3 封頭光譜分析表 單位：%

（2）對封頭硬度檢測部位進行鐵素體含量檢測，檢測結果如表2和圖2所示。從圖2中可以看出，鐵素體含量與硬度值存在近似線性關系，硬度值隨著鐵素體含量增大而增大。與硬度值分布類似，設備直邊段鐵素體含量最大，封頭中心處含量最小。

圖2 硬度與鐵素體含量關系圖

（3）對硬度最大值部位直邊段（圖1中的編號1處）進行金相檢測，檢測結果如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，該處奧氏體晶粒有沿加工方向破碎、滑移面及晶界上產生大量位錯現象，產生針狀馬氏體。

圖3 400倍金相圖

圖4 800倍金相圖

（4）對該封頭內外表面進行了100%滲透檢測，未發現可記錄的超標缺陷。

2 原因分析

由元素含量檢測結果可知封頭部位元素含量在標準范圍內，符合標準規范要求。由金相結果可知，封頭材料的顯微組織為奧氏體基體上分布著大量析出的碳化物和形變馬氏體。由硬度測試結果可知，該設備直邊段及扳邊過渡段硬度值遠遠大于標準要求。通過查閱相關文獻可知[7][8]，這是由兩方面因素導致的：

其一，由出廠資料可知，該封頭使用材料為06Cr19Ni10，采用冷沖壓工藝進行制造，成型后無固溶處理。06Cr19Ni10材質屬于亞穩態奧氏體不銹鋼，而冷加工是亞穩態奧氏體轉變為馬氏體的誘因。當亞穩態奧氏體不銹鋼產生應變時容易轉變為針狀馬氏體顯微結構，并且隨著工程應變量的增加，形變誘發馬氏體相的含量也在增加。當板材下料進行冷沖壓時，封頭的直邊段材料所受的變形量最大，而受到強烈的冷變形時發生了奧氏體向馬氏體的轉變，這樣一來就導致不銹鋼具有一定的磁性，用鐵素體儀可檢測到大量的鐵素體，鐵素體含量和硬度值呈線性關系。扳邊部位變形比直邊小，所以鐵素體含量和硬度都比直邊段小。而封頭頂部變形最小，鐵素體和硬度符合材料標準要求。

其二，彌散分布在奧氏體上的碳化物是由于材料沒有經過有效的高溫熱處理、碳化物沒有充分溶解于奧氏體中產生的。大量碳化物彌散分布于奧氏體基體中，對材料起到了彌散強化的作用，更加提高了材料的硬度。同時冷變形產生了大量的形變馬氏體，未回火的馬氏體作為硬脆相本身硬度很高，馬氏體硬度值比奧氏體大也使得材料整體硬度變大。

綜上所述，沒有經過規范的熱處理是導致這兩個因素存在的直接原因，當材料進行重新熱處理（固溶處理）后其顯微組織為單相奧氏體，從而可以有效消除形變馬氏體，降低材料的鐵素體含量及硬度，減少設備裂紋的產生。

3 制造及使用建議

由于加工和使用過程中產生的形變誘發馬氏體相變與材料成分、制造工藝等多種因素有關，為了預防和減少形變馬氏體的產生而引起材質裂化，導致封頭在加工或使用過程中失效，筆者在制造和使用方面提出兩點建議：

3.1 制造方面

（1）對于冷成型奧氏體不銹鋼封頭，可通過成型后的固溶處理或者改善成型工藝來減輕或者避免加工硬化。例如，對于旋壓封頭，先進行冷沖壓預壓，然后加熱至250℃旋壓成形；對于不能旋壓的封頭，先冷沖壓預壓，再加熱到250℃沖壓成形，以上兩種方法均可減少塑性加工過程中的形變誘發馬氏體相變。

（2）制造單位在奧氏體不銹鋼封頭安裝之前，應測試封頭的硬度、鐵磁相含量等是否滿足標準要求值，以便清除不合格封頭。

3.2 使用方面

嚴格控制使用過程中介質成分、溫度、壓力、pH值等工藝指標，在工藝允許的前提下，可以添加適量緩蝕劑，減少對設備的腐蝕。

4 結論

文中對奧氏體不銹鋼容器進行檢測，發現其硬度值異常，隨后利用硬度檢測、材料元素分析、材料鐵素體含量檢測、金相分析和封頭內外表面100%滲透檢測等方法對該設備進行檢測并進行分析，結果如下：

（1）該設備封頭直邊段硬度最高，超過了標準限定值，達到了385HB，封頭中心處硬度值最低，僅為195HB，符合標準的要求。

（2）對該設備材料進行元素含量檢測結果可知封頭部位元素含量在標準范圍內，符合標準規范要求；對該封頭內外表面進行了100%滲透檢測，經檢測未發現可記錄的超標缺陷。

（3）通過鐵素體含量檢測發現，材料鐵素體含量與硬度值成近似線性關系，鐵素體含量越高，硬度越大。

（4）金相分析結果表明奧氏體晶粒有沿加工方向破碎、滑移面及晶界上產生大量位錯現象，產生針狀馬氏體。

（5）通過分析發現由于封頭加工時經過冷沖壓工藝后沒有進行固溶處理導致大量形變馬氏體產生，從而導致材料硬度異常。

（6）根據分析結果對該類設備制造和使用過程提出幾點建議。