奧氏體不銹鋼換熱器應力腐蝕開裂的失效分析

邢海澎

（山東省特種設備檢驗研究院集團有限公司 濟南 250101）

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、耐熱性以及優良的力學性能,因而在特種設備行業應用廣泛,尤其在石油化工、鹽化工、煤化工等行業的主要設備和管道元件中較為常見[1]。奧氏體不銹鋼抵抗均勻腐蝕能力較強,但在某些特定介質及特殊工況下,又極易產生應力腐蝕現象,例如在含有氯離子、氯化物、濕硫化氫、蒸汽等介質中就十分敏感[2]。設備材料或元件在應力和腐蝕環境的共同作用下引起的開裂稱為應力腐蝕開裂,這是應力與腐蝕聯合作用的結果。如果只存在應力或者腐蝕環境一個因素,應力腐蝕開裂并不會發生,只有當二者聯合作用時,才會引發失效問題。在實際生產過程中,設備發生應力腐蝕開裂時,其失效部位應力值往往是很低的,且介質的腐蝕性也很弱,也正因此,應力腐蝕經常被忽視,極易發生意外事故。因此,研究奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂機理顯得極為重要[3-5]。

奧氏體不銹鋼種類繁多,其中300 系列應用最為廣泛。該系列采用冷加工方法硬化。這些等級的不銹鋼含有約18%～30%的鉻和6%～20%的鎳作為其主要合金添加劑,因此它們可以在高溫下保持強度,同時抵抗一定的腐蝕。在化工企業應用中,304 奧氏體不銹鋼較為常見,這里針對此類奧氏體不銹鋼容器發生斷裂問題展開研究。

1 檢驗案例背景及基本參數

某化工企業存在一臺有嚴重使用缺陷的硫化氫水冷換熱器,其裝配圖如圖1 所示。該設備于2018 年9月投入使用,使用6 個月后停機檢修時發現已經處于失效狀態。其基本參數如下：換熱器內徑為650 mm,長度為4 402 mm,名義厚度為8 mm,腐蝕裕量為0 mm,換熱面積為68.8 m2；殼體材質為304 不銹鋼,現場實測最小壁厚為8.13 mm,未見壁厚減薄問題；換熱管材質為316L 不銹鋼；殼程工作介質為高濃度硫化氫,特性為高度危害、易爆,管程工作介質為水；殼程工作溫度為進口107 ℃、出口63 ℃,管程工作溫度為進口23 ℃、出口45 ℃；殼程工作壓力為2.57 MPa,管程工作壓力為0.6 MPa；制造時殼程主要受壓元件A類、B類焊接接頭100%射線檢測,Ⅱ級合格,管程主要受壓元件A 類、B 類焊接接頭至少20%射線檢測,Ⅲ級合格,100%滲透檢測,I 級合格；使用時保溫層厚度為120 mm 等。

圖1 硫化氫水冷換熱器裝配圖

該設備僅投入使用半年,其殼體外部法蘭焊縫處便出現目視可見的裂紋,位置如圖2 所示。該化工企業隨后委托筆者單位對該設備進行全面檢驗,就該殼體法蘭焊縫處開裂原因進行分析,研究裂紋產生機理,并提出合理建議,以期減少或防治該類失效現象的重復發生。

圖2 裂紋位置圖

2 裂紋宏觀形貌

檢驗員首先觀察該換熱器隔熱層防護情況,發現其隔熱保護層安裝不符合規范要求[6],極易滲水,容易造成雨水流入其隔熱層內,造成聚集,并且在拆開法蘭處保溫時,發現裂紋位置處有滲水。檢驗人員對其進行滲透檢測,測量可知裂紋長度為180 mm,見圖3,裂紋方向為沿焊縫熱影響區開裂,斷口形式為脆性開裂。檢驗員用焊縫檢驗尺測量殼體和法蘭焊接兩側錯邊量為0.6 mm,與該條焊縫其他位置相比,錯邊量較大,且查閱原始制造資料后發現,該設備沒有做固溶處理,因此該處的內殘余應力也是最大的,這也給應力腐蝕開裂提供了充足的應力條件。

圖3 裂紋原貌

檢驗人員就該裂紋選取一處開始打磨,打磨深度為6 mm 后,裂紋依然清晰可見,見圖4,測量可知裂紋長度為80 mm,可見該裂紋由外壁向縱深發展,檢驗人員就該位置在殼體內部進行滲透檢測,發現該裂紋已穿透殼體,可以確認該裂紋為穿透性裂紋。

圖4 打磨深度6 mm 后裂紋形貌

3 裂紋處材料化學成分

為確認發現裂紋處及周圍的材料標號,對其化學成分進行了光譜分析。表1 為其各部位化學成分分析結果,從表1 的結果可以看出,殼體、焊縫及其法蘭完全符合304 不銹鋼的材料標準要求。

表1 裂紋周圍材料化學成分%

4 裂紋處金相分析

為深入研究裂紋微觀開裂的情況,檢驗人員對該換熱器裂紋發生位置割取樣塊,見圖5,然后對樣塊進行線性切割,見圖6,取裂紋尖端部位進行金相分析及電鏡掃描分析。觀察裂紋尖端金相是指在裂紋尖端（即斷裂件尚未完全斷開）處沿斷裂表面的垂直方向拋光,在顯微鏡下觀察裂紋尖端情況[7]。

圖5 樣塊割取位置

圖6 樣塊割取后形貌

圖7 是焊縫裂紋發生處材料表面拋光后的裂紋尖端形貌,金相分析可以看出裂紋呈穿晶擴展,裂尖比較尖銳,呈樹枝狀,有分叉。從裂紋形貌基本可以判斷開裂原因為氯化物應力腐蝕開裂,檢驗人員繼續對斷口進行掃描電鏡分析,進一步確認開裂原因。

圖7 裂紋尖端形貌

5 斷口開裂分析

微觀分析主要是利用掃描電子顯微鏡觀察斷口表面形貌,幫助判別斷裂機理。不同的開裂機理呈不同的斷口形貌,因此從斷口形貌可判別斷裂的性質,推斷裂紋擴展的原因和過程[6]。

圖8 為焊縫裂紋處×25 倍掃描電鏡,圖9 為焊縫裂紋處×500 倍掃描電鏡,從電鏡圖也可以看出其裂紋產生處有大量的腐蝕產物,表面特征類似于河流狀解理斷裂,這是奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂所具備的特征[8-9]。

圖8 ×25 裂紋掃描電鏡

圖9 ×500 裂紋掃描電鏡

同樣對開裂位置腐蝕產物進行取樣分析,得知氯離子含量較高,進一步確認設備裂紋產生原因為氯化物應力腐蝕開裂。分析現場工作環境,可知氯離子富集的原因為隔熱層防護不到位,雨水在隔熱層內產生局部濃縮聚集,氯離子含量過高,最終導致應力腐蝕開裂。

6 結論及預防措施

該硫化氫水冷換熱器為整體300 系列奧氏體不銹鋼,鎳含量在8%～12%之間,開裂敏感性最大；殼體溫度大于60 ℃,屬于應力腐蝕敏感性溫度范圍；外部隔熱保護層安裝不到位,雨水易流入隔熱層內,雨水在隔熱層內反復蒸發富集,最終導致局部氯離子含量超標；設備焊接制造時,殼體與法蘭焊接錯邊量較大,殘留了較大的殘余應力,其開裂敏感性一直較高[10]。該裂紋起源于表面,殼體無明顯的腐蝕減薄,裂紋多呈樹枝狀,有分叉,且裂紋穿晶擴展,斷口形式為脆性斷口,腐蝕產物含有濃度較高的氯離子。綜上信息均表明,該設備失效符合奧氏體不銹鋼氯化物應力腐蝕開裂機理。

針對該硫化氫水冷換熱器的工作環境,結合氯化物應力腐蝕開裂機理,現提出幾項防護意見：1）重新選材,選取耐氯化物應力腐蝕開裂能力較強的材料,例如316L；2）在用水進行壓力試驗或者清洗時,應當使用氯離子含量低的水（至少應使氯離子含量小于25 mg/L）,并及時烘干；3）可以對材料表面進行涂層保護,避免氯離子在其表面富集；4）對300 系列不銹鋼制作的部件宜進行固溶處理等,以消除制造殘余應力；5）降低材料表面粗糙度,防止機械劃傷；6）嚴格按照標準要求,把控隔熱外保護層的安裝質量,有效減少氯化物聚集的可能性。通過以上手段可有效降低氯化物應力腐蝕開裂的可能性。

壓力容器的安全關乎民生,也關乎企業命脈,研究各種損傷案例可以提高企業對特種設備安全的有效把控,將各種危險因素消滅在萌芽之中。