保溫層下不銹鋼應(yīng)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(xiàn)場情況的分析，論證了其發(fā)生泄露的主要原因是應(yīng)力腐蝕開裂，并提出了應(yīng)力腐蝕開裂的控制措施。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;應(yīng)力腐蝕;開裂;控制

1? ? 開工加熱器概述

1.1? 設(shè)備參數(shù)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(yù)熱原料。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2? 失效原因分析

裝置運行5年后，經(jīng)過大修重新開車投用時，在管箱封頭環(huán)焊縫處出現(xiàn)穿透性裂紋，造成內(nèi)部管程工藝物料泄露。

1.2.1? 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖及發(fā)現(xiàn)缺陷位置特點

在該設(shè)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(jié)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(fā)現(xiàn)保溫中有水。

1.2.2? 裂紋特點

經(jīng)外觀檢查發(fā)現(xiàn)，管箱封頭直邊處存在多條垂直于環(huán)焊縫的裂紋缺陷。金相復(fù)膜分析（見圖2）裂紋由外壁向縱深發(fā)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(yīng)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(nèi)壁發(fā)展。

1.2.3? 分析結(jié)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(xué)成分數(shù)據(jù)如表2所示。

現(xiàn)場對裂紋處的腐蝕殘留物進行EDX能譜分析，檢測發(fā)現(xiàn)氯離子質(zhì)量分數(shù)達到了500×10-6。同時，對現(xiàn)場保溫棉中的冷凝水采樣進行氯離子質(zhì)量分數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)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(zhì)量分數(shù)并不高。但是當(dāng)凝液水接觸到100 ℃的管程封頭金屬表面，水分被蒸發(fā)，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(yīng)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(nèi)殘余應(yīng)力也是最大的，這也給應(yīng)力腐蝕開裂SCC提供了充足的應(yīng)力條件。100 ℃的工作溫度，500×10-6的氯離子質(zhì)量分數(shù)，0.5 MPa的工作壓力以及設(shè)備制造殘余應(yīng)力為此處的應(yīng)力腐蝕開裂提供了完美的條件。

1.2.4? 應(yīng)力腐蝕開裂的機理

（1）應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件：一是具備足夠大的拉伸應(yīng)力（不論是殘余應(yīng)力還是外加應(yīng)力，或者兩者兼而有之）;二是要有特定的腐蝕環(huán)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(qū)最先產(chǎn)生腐蝕）。

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

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

（4）應(yīng)力腐蝕開裂的過程：在拉應(yīng)力的作用下，錯位沿著滑移面運動，在金屬表面產(chǎn)生滑移臺階，表面鈍化膜產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)力作用下，造成腐蝕坑底部的裂紋尖端處應(yīng)力集中，使鈍化膜再次破裂，形成新的活性陽極區(qū)。上述過程如此反復(fù)，最終造成縱深穿晶的裂紋[3]。

（5）氯離子對奧氏體不銹鋼產(chǎn)生的應(yīng)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(yīng)力腐蝕孕育期。奧氏體不銹鋼在氯化物介質(zhì)中的臨界應(yīng)力值約：3～5 kg/mm2。

2? ? 應(yīng)力腐蝕開裂的控制

該設(shè)備的失效模式是典型應(yīng)力腐蝕開裂，結(jié)合現(xiàn)場的情況及設(shè)備運行參數(shù)，我們需要采取一些措施來避免同樣的問題再次發(fā)生。

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

（2）不銹鋼設(shè)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(yīng)力腐蝕開裂，因此，不銹鋼設(shè)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(shè)備時要求生產(chǎn)廠家對不銹鋼設(shè)備進行整體的去應(yīng)力熱處理，可以有效地減少內(nèi)應(yīng)對設(shè)備服役過程中應(yīng)力腐蝕開裂失效的貢獻。

3? ? 結(jié)語

應(yīng)力腐蝕開裂的失效模式在化工廠的生產(chǎn)運行中極為常見，了解其失效的機理和條件為設(shè)備維修工程師進行設(shè)備管理提供了理論支持。一方面，從設(shè)計根源上詳細了解設(shè)備的使用參數(shù)及工況，考慮腐蝕環(huán)境，嚴格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并采取防水控氯、焊后熱處理等預(yù)防手段。另一方面，設(shè)備在運行過程中的操作環(huán)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(shè)備中奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕和防護[J].化工設(shè)備與管道，2002（3）：51.

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

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