奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9管板裂紋失效機理分析

魏志剛*，于明明，宋艷會，張友冬，張曉琴，劉達彬（中國石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧撫順 113008）

奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9管板裂紋失效機理分析

魏志剛*，于明明，宋艷會，張友冬，張曉琴，劉達彬
（中國石油撫順石化公司烯烴廠，遼寧撫順 113008）

對出現開裂后的材質為奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9的管板進行了現場與實驗室檢測。實驗與理論分析結果表明，管板開裂為脆性斷裂和正斷斷裂，裂紋從管板表面首先形成，低溫是管板變脆的原因，管程中的介質使管板表面產生氧化層以及溫度差所產生的熱應變循環作用是裂紋產生及擴展的原因。并對此類管板的制造與使用提出了建議。

裂紋；金相檢驗；化學成分；殘余應力；熱應變；應力腐蝕

1　前言

某化工廠冷火炬液氣化器在使用2a后出現滲漏。經檢查發現，裂紋縱橫交錯布滿整個管板表面，呈現出穿透型裂紋。管板的材質為0Cr18Ni9，使用溫度260℃，管程介質為乙烯（設計溫度為-125℃/265℃），殼程介質為水蒸氣（設計溫度為265℃）。在這樣的材質上產生脆性開裂的穿透型裂紋，原因可能是應力腐蝕、氫脆、晶間腐蝕、低溫冷脆、熱疲勞斷裂等因素所致，其產生的機理比較復雜，本文從現場金相分析和實驗室金相分析兩個方面進行分析與研究。

2　現場金相分析

2.1管板的宏觀裂紋形貌

通過現場肉眼觀察，可以發現管板的裂紋為脆性裂紋，裂紋周圍沒有明顯塑性變形。從圖1～4可以看到管板的表面有很多條裂紋，這些裂紋縱橫交錯、參差不齊，呈龜裂狀，屬于多源裂紋；而且我們現場可以觀察到產生的裂紋已經穿透管板，屬于穿透性裂紋。從產生裂紋的位置觀察，裂紋不僅產生在管板的表面，在沒有脹焊換熱管的位置、以及管板的邊緣處也產生了裂紋，見圖1～4。

圖1　開裂管板的整體形貌

圖2　換熱管周圍裂紋的形貌

圖3　遠離換熱管處的裂紋

圖4　管板邊緣處的裂紋

2.2管板的現場金相檢驗

通過金相檢驗可以看到，裂紋擴展是穿過奧氏體晶粒的，擴展過程中有枝杈，枝杈的伸展方向沿著奧氏體晶界方向，在開裂的裂紋中可以看到剝落的顆粒，這些顆粒是由于金屬晶粒間的撕裂而產生，且在大裂紋附近有與其方向大致平行的小裂紋，在裂紋尖端的前方位置有新的裂紋產生，見圖5。

圖5　裂紋尖端及擴展的組織形貌

3　實驗室檢驗及分析

3.1裂紋的形貌

利用掃描電鏡發現管板表面上有氧化層，管板表面的裂紋呈現一定寬度的分叉狀，裂紋附近沒有產生塑性變形，可以判定是脆性開裂，見圖6。將管板表面的氧化層經過放大進行觀察，可以看到管板表面的氧化層有大量的龜裂狀顯微裂紋，有的位置起層，有的位置產生剝落，此龜裂狀的裂紋是由于熱疲勞產生的，是該換熱器管板產生開裂的起源點，見圖7～9。

圖6　管板表面管箱側裂紋的掃描電鏡（放大100倍）

圖7　管板表面管箱側微裂紋的掃描電鏡（放大500倍）

圖8　管板表面管箱側微裂紋的掃描電鏡（放大500倍）

圖9　管板表面管箱側微裂紋的掃描電鏡（放大1000倍）

3.2化學成分分析

由表1可見，含碳量略高于標準，硫含量略有超標，鉻含量略低于標準。

表1　管板的化學成分分析

3.3實驗室金相檢驗

圖10～11是換熱器管板的金相組織圖。管板材料內部組織為奧氏體，內部晶粒大小均勻，晶粒度評級為5級［1］。

根據洞內坍塌位置和坍塌情況確定地表注漿范圍，通過地面測量放樣確定地表孔位，施鉆機械圍繞金威啤酒廠沉淀池，按孔徑φ42mm，環向0.8m，水平間距延沉淀池邊緣往外1.6m，第二圈1.2m，外插角度應大于85°，為避免沉淀池樁身的破壞，實際孔位布置將結合技術交底圖對照現場構造物的實際布局進行合理調整。

圖10　管板的金相組織

圖11　管板的金相組織

3.4非金屬夾雜物檢驗

圖12是管板的金相組織，可以看到其表面有顆粒狀的夾雜物。圖13是管板的能譜面掃描圖，從能譜分析可以確定管板表面的這些夾雜物是Al2O3夾雜物和硫化物。

圖12　管板中夾雜物的顯微組織

圖13　管板能譜面掃描成分分析

3.5性能檢驗

對管板取樣進行的彎曲試驗，彎曲90°時，表面沒有裂紋，說明此材料有一定的塑性和韌性；當彎曲180°時，表面產生了大致平行的兩條裂紋，裂紋垂直最大正應力，彎彎曲曲，見圖14。用微納米壓痕儀對管材測試硬度，硬度值在HV350左右，用微納米壓痕儀將壓痕壓在微裂紋上，裂紋沒有擴展開裂，沒有壓碎現象，說明此材料在常溫下，具有良好的塑性，即常溫條件下應力不會使裂紋產生脆性開裂，見圖15～16。

圖14　管板材料冷彎試驗圖

圖15　微納米壓痕儀測試的顯微硬度圖

圖16　壓頭壓在微裂紋上的組織形貌

4　綜合分析

4.1管板材質

根據制造商提供的材質證明，該換熱器管板的材質為0Cr18Ni9。但通過化學成分分析顯示，該管板材質并沒有達到國標要求。含碳量高、含鉻量低，這會使管板材料抗晶間腐蝕的能力下降；硫含量高，超出國標標準，這會形成非金屬硫化物，使管板材料的韌性下降。

4.2熱疲勞

有文獻指出，熱疲勞產生的裂紋大都是表面呈龜裂狀的多源裂紋，裂紋內部呈枝杈狀或較平直，裂紋中常嵌入氧化物，其斷面被氧化物層所覆蓋，一般呈褐色或深灰［2-3］。本文研究的換熱器管板表面裂紋的形貌也是呈龜裂狀，內部裂紋也呈現出枝杈狀，裂紋內部嵌入有氧化物，管板的表面有大量的顯微裂紋，屬于明顯的熱疲勞特征，所以，可以判定該管板的開裂存在熱疲勞影響因素。

4.3應力腐蝕

應力腐蝕是指在拉應力作用下，金屬在腐蝕介質中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕，應力腐蝕導致材料的斷裂稱為應力腐蝕斷裂［4］。本文中研究的換熱器管板的開裂屬于穿晶斷裂，實驗分析的結論與理論分析一致，說明該換熱器管板的開裂存在應力腐蝕因素。

4.4低溫亞穩定奧氏體轉化為α＇

有文獻研究，亞穩態奧氏體不銹鋼（18Cr-8Ni）的應力腐蝕開裂，由于裂紋尖端的塑性形變以及氫原子在裂紋尖端的擴散和聚集，會促使尖端地區發生不同程度的γ-α'（奧氏體向馬氏體）轉變［5-6］。而0Cr18Ni9經固溶處理是亞穩定狀態的奧氏體不銹鋼，隨著溫度的降低，會有一部分馬氏體產生，而使強度升高脆性增大。從實驗中發現，管板斷裂也由韌性的韌窩斷裂轉變成穿晶脆性斷裂，即解理斷裂，這與理論研究相符。

5　結論與建議

1）通過多管板的化學成分分析，發現該管板材料的化學成分與國標不符，C、S含量高，Cr含量低，且夾雜物多，建議選擇符合國標的材料。

2）通過金相分析可以判定該管板的開裂為脆性斷裂和正斷斷裂。裂紋的擴展過程中有分叉現象，且裂紋是沿著奧氏體的某一晶界面開裂的，說明存在應力腐蝕現象。建議在制造與裝配之前對管板鍛件進行嚴格的無損檢測，杜絕鍛件表面和內部存在缺陷。

3）通過對夾雜物分析，發現裂紋首先從管板的表面形成，表面氧化層上的顯微裂紋是裂紋形成的起源點，建議制造與裝配前去除鍛件表面氧化物，提高換熱器管板的加工精度。

4）低溫是管板材料變脆的原因，該換熱器管程介質使管板表面產生氧化層，加上換熱管板的溫度差所產生的熱應變循環作用，導致換熱器管板產生裂紋并擴展，建議在管板生產加工過程中，對鍛件的固溶處理采用深冷處理，防止材料在使用過程中從奧氏體向馬氏體轉變。

5）建議用戶精心操作，在投用換熱器過程中先對其進行升溫，之后室乙烯氣化，避免由于溫差過大是管板材料生產熱應力。

［1］ GB/T6394—2002金屬平均晶粒度測定法［S］.

［2］ 王賓.強化奧氏體不銹鋼/鋼雙金屬連鑄輥研究［J］.太原科技大學，2011：54-59.

［3］ 王麗營，邢修三.熱疲勞非平衡統計理論［J］.北京理工大學學報，2001，21（2）：151-156.

［4］ 徐在林.應力腐蝕破裂機理探討［J］.化工裝備技術，1994（3）：48-51.

［5］ 王輝綿，喬玉，白晉鋼，等.亞穩定型奧氏體不銹鋼盤條形變馬氏體α'影響因素研究［C］.//中國鋼鐵年會.2001.

［6］ 陳海云，褚玲愛，盛水平，等.奧氏體不銹鋼封頭的形變馬氏體含量檢測與影響因素［J］.理化檢驗：物理分冊，2012：779-783.

The Mechanism Analysis of Crack Failure on Tube Plate Which Material is Austenitic Stainless Steel 0Cr18Ni9

Wei Zhi-gang*，Yu Ming-ming，Song Yan-hui，Zhang You-dong，Zhang Xiao-qin，Liu Da-bin

Investigated the tests of the tube plate which material is Austenitic Stainless Steel 0Cr18Ni9 field and laboratory.Through experiment and theoretical analysis results show that the tube plate cracking for brittle fracture and normal fault rupture，crack from the surface of the tube plate forming first，low temperature is the cause of the tube plate brittle，medium in tube side make the tube plate surface oxide layer and the temperature difference of thermal cycle of role strain is the cause of crack generation and propagation.And put forward some advices for manufacture and use of such tube plate.

crack；metallographic examination；chemical composition；residual stress；thermal strain；stress corrosion

TG161

B

1003-6490（2016）05-0115-03

2016-05-11

魏志剛（1981—），男，河南濮陽人，高級工程師，主要研究方向為化工過程機械。