導熱油盤管失效分析

張麗麗 魏其凡

摘要：通過對導熱油盤管的化學成分、金相組織、裂紋形貌以及腐蝕產物等進行分析，結果表明：導熱油盤管成分沒有偏析，應力腐蝕開裂是導熱油盤管失效的主要原因。

關鍵詞：導熱油盤管;失效分析;應力腐蝕

中圖分類號：O346.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）10-0040-02

0? 引言

導熱油盤管一般采用304不銹鋼材質，304不銹鋼耐酸堿腐蝕，廣泛應用于各類高溫環境運行設備。某公司的導熱油盤管在使用一段時間后出現裂紋，為了找出導熱油盤管裂紋的原因，該公司委托我們對導熱油盤管進行失效分析，失效的導熱油盤管通過對其化學成分、金相組織、掃描電鏡和能譜儀對其裂紋和腐蝕產物進行分析。

應力腐蝕開裂是指在腐蝕性環境中，受到拉應力的合金由于裂紋的擴展而發生失效的局部腐蝕之一。應力腐蝕開裂形成條件：一是拉應力，二是應力腐蝕環境（含溫度、腐蝕性介質）。應力腐蝕開裂一般是無明顯宏觀變形且無任何征兆的情況下突然發生斷裂，因此，其是破壞性和危害性最大的局部腐蝕之一。在腐蝕過程中，若有微裂紋的擴展速度比其他局部腐蝕速度快幾個數量級。例如橋梁坍塌、飛機失事、油管爆炸、管道泄漏、石油化工等都造成巨大的生命和財產損失。

1? 實驗部分

電感耦合等離子體光譜儀JY2000， 島津;碳硫分析儀CS800，德國Eltra;掃描電鏡S4800，日立掃描電鏡;能譜儀350;金相顯微鏡AXIO Imager A2m，德國蔡司Zeiss;立體顯微鏡stemi2000，德國蔡司Zeiss。

2? 結果與討論

2.1 化學成分分析

取一段被腐蝕導熱油盤管，對其化學成分進行分析，由表1可知，根據標準JIS G 4303-2012中的技術指標要求，導熱油盤管成分符合304不銹鋼要求。

2.2 金相分析

由圖1可知，通過金相顯微鏡觀察導熱油盤管顯微組織為奧氏體和少量碳化物。點蝕由內壁萌生，還有黑色點狀碳化物，在晶界含有碳化物，破壞了奧氏體的單相性，導致其抗點腐蝕性能大大降低。導熱油盤管中有空洞和裂紋，主裂紋主要是沿軸向擴展，較多且粗大，二次裂紋走向不規則較隨意，裂紋主要是穿晶裂紋，與應力腐蝕開裂一致，因此，應力腐蝕開裂是其失效主要原因，應力腐蝕降低了材料強度和性能。

2.3 裂紋斷口微觀形貌

采用掃描電鏡（SEM）對其裂紋斷口微觀形貌進行分析，見圖2。由圖2可知，掃描電鏡對裂紋進行形貌分析，導熱油盤管斷口表面高低不平且銹蝕嚴重，還含有大量空洞、蝕坑和裂紋，裂紋基本上沿著晶界向軸向擴展，裂紋主要是穿晶裂紋，裂紋有很多分叉，裂紋“根須”細長而帶有分支，裂紋斷口為典型脆性斷裂。脆性斷裂一般是沒有明顯塑性變化，突然發生斷裂，危害極大。

2.4 腐蝕產物分析

采用能譜儀對腐蝕產物進行分析。由圖3可知，腐蝕產物聚集在裂紋周圍及裂紋內，腐蝕產物主要為氯化物、氧化物和硫化物。

應力腐蝕開裂是金屬構件在靜應力和特定的腐蝕介質作用下發生脆性斷裂。應力腐蝕開裂必備的條件：一是要有拉應力，不論是殘余應力還是外加應力，或者兩者兼而有之;二是腐蝕環境（高溫和腐蝕性介質）存在，金屬材料在腐蝕環境中易發生應力腐蝕開裂。

導熱油盤管為304不銹鋼，導熱油盤管應力一方面是管道正壓和和負壓對管壁的壓力，另一方面是冷熱不長時的軸向應力，以及在導在焊接和加工成型過程中產生的殘余應力，這三種力可以滿足導熱油盤管應力腐蝕開裂的臨界應力的應力條件。

在高溫腐蝕介質（氯化物、硫化氫、硫酸、堿）等環境中304不銹鋼容易發生應力腐蝕開裂。由能譜儀譜圖可知，在高溫高壓下，腐蝕性離子（硫和氯）與304不銹鋼鈍化膜中的陽離子發生電化學腐蝕，形成點蝕孔洞。點蝕孔洞受到應力集中作用從而破壞鈍化膜，加速了陽極腐蝕，多次反復作用下，裂紋縱深很深。因此，氯離子和硫離子是應力腐蝕開裂的重要因素之一。此外，在不同部位存在供氧差異和介質濃度差異，在被腐蝕的304不銹鋼板表面會形成許多腐蝕微電池化學反應，造成腐蝕。因此，在應力和腐蝕的作用下導致裂紋形成。在含氯化物環境下應用，使用溫度為60℃就存在氯化物應力腐蝕風險。使用溫度越高，氯化物濃度越高，氯化物應力腐蝕開裂風險越高。在高溫情況下，氯離子濃度只要達到1mg/L，就發生破裂。導熱油盤管使用溫度為280℃，含有腐蝕性化合物氯化物和硫化物，因此，證實裂紋產生是由應力腐蝕開裂。

3? 結論

導熱油盤管成分屬于304不銹鋼，未發生偏析;盤管斷口高低不平，金相分析材料內部有很多空洞和穿晶裂紋，樹枝狀裂紋，斷口微觀是脆性斷裂，穿晶裂紋穿晶裂紋;能譜分析表明產物中含有硫化物、氧化物和氯化物。綜上所述，導熱油盤管使用環境為高溫（280℃），還含有腐蝕物質-氯化物和硫化物，因此，應力腐蝕開裂是導熱油盤管失效的主要原因。

參考文獻：

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