304不銹鋼盤管開裂失效分析

李少東，夏明六

(銅陵市特種設備監督檢驗中心,安徽 銅陵 244000)

304不銹鋼盤管開裂失效分析

李少東，夏明六

(銅陵市特種設備監督檢驗中心,安徽 銅陵 244000)

采用宏觀檢查、微觀分析、力學性能、斷口微觀形貌等方法對某換熱器304不銹鋼盤管開裂進行了分析。結果表明：該盤管的開裂屬于高溫高壓水蒸汽應力腐蝕開裂，盤管工作應力和殼程水蒸汽中的溶解氧共同作用下發生應力腐蝕，最終導致盤管開裂。

304不銹鋼 ;應力腐蝕 ;失效分析

制氫用換熱器為制氫裝置的石腦油蒸發器，殼程由兩種材料焊接，上部為13CrMo44鋼，下部為304不銹鋼，管程為304不銹鋼盤管。管程設計壓力為3.8MPa，工作壓力為3.45MPa，進出口溫度分別為40℃和360℃；殼程設計壓力為3.1MPa，工作壓力為2.77MPa，進出口溫度分別為423℃和333℃。管程介質為輕石腦油、液化氣和天然氣混合物，殼程介質為高變氣，高變氣成分為30%氫氣+一氧化碳+甲烷和70%高溫高壓水蒸汽。該公司兩套此類裝置在使用過程中均發現換熱器管程304盤管環向開裂。

1 試驗方法與結果

1.1 宏觀分析

圖1為304不銹鋼盤管宏觀照片。從圖中可以看出，304不銹鋼盤管表面為環向裂紋，裂紋總長度約60mm，距離焊縫約40mm，裂紋端部有分叉，且遠離焊縫及熱影響區，此次開裂與焊縫應無直接聯系。304不銹鋼盤管斷口平整，沒有管壁減薄和凸起等塑性變形現象，表明該斷口為脆性斷口，盤管開裂為脆性開裂。另，從盤管工作壓力的穩定性可排除疲勞斷裂可能[1]。

圖1 304不銹鋼盤管宏觀斷口

Fig.1 Macrograph and fracture surface of the 304 Stainless Steel Tubes

1.2 微觀分析

304不銹鋼盤管的微觀金相組織照片見圖2。由圖2(a)可知，304不銹鋼盤管微觀組織由單相奧氏體組織及少量碳化物組成，且晶粒度較大(約3級)，碳化物分布均勻，未發生晶間碳化物大量析出現象，據此可排除晶間敏化可能。晶粒內有大量孿晶和滑移線出現，孿晶是奧氏體的主要塑性變形方式，表明304不銹鋼盤管承受較大的應力。由圖2(b)、(c)可知，裂紋由盤管外表面萌生并向盤管內表面發展，直至穿透管壁發生泄漏失效。裂紋為穿晶型裂紋，除主裂紋外，還有少量二次裂紋存在，二次裂紋數量少且發展程度有限，據此可排除發生晶間腐蝕破裂的可能[2，3]。該盤管外表面周向主裂紋垂直于表面沿壁厚方向向內部發展，可判定盤管開裂與軸向拉應力相關。

圖2 304不銹鋼盤管微觀組織

Fig.2 Microstructure of the 304 Stainless Steel Tubes

1.3 力學性能

該盤管力學性能檢測結果見表1。由表1可知，盤管抗拉強度平均值為499.5MPa，與標準強度值相比略低；伸長率約57%，滿足標準要求；斷面收縮率約38%，略低于標準要求。綜上，304不銹鋼盤管的力學性能基本滿足標準要求。

表1 304不銹鋼盤管力學性能分析結果

1.4 斷口形貌

圖3 盤管微觀斷口形貌

Fig.3 SEM micro-morphology of fracture surface of the 304 Stainless Steel Tubes

該盤管斷口表面的觀形貌見圖3，由圖3可知，斷口表面覆蓋大量腐蝕產物，對腐蝕產物的成分分析結果見表2，成分分析結果表明腐蝕產物主要含有Fe、O、S等三種元素，即腐蝕產物主要由氧化鐵和少量硫化鐵組成。考慮到裂紋是由盤管外壁萌生向內發展及管程內含有少量硫化氫而殼程不含有硫化氫等因素，可判斷硫元素是由于盤管發生穿透泄漏后受管內介質的硫污染(腐蝕)所致。殼程介質中氧腐蝕作用是造成斷裂發生的主要因素[5]。斷口表面還可辨別出塑性變形撕裂痕跡(撕裂棱)，表明該斷口在形成過程中同樣遭受應力的作用，該304不銹鋼盤管的開裂系由應力和腐蝕的共同作用造成，屬于應力腐蝕開裂[6]。

表2 304不銹鋼盤管斷口腐蝕產物EDS分析結果

2 綜合分析

在高溫高壓水蒸汽中，304不銹鋼經常會發生應力腐蝕開裂破壞，且主要影響因素是水蒸汽中的溶解氧和氯離子濃度，有研究資料表明，當高溫水蒸汽(288℃)中含有1ppm溶解氧時，即導致304不銹鋼發生嚴重的應力腐蝕開裂破壞，而304不銹鋼盤管的工作溫度遠高于該溫度，且該盤管的工作壓力較高，發生應力腐蝕開裂的可能進一步提高。另，微量的氯離子存在以及不銹鋼的敏化作用也會促進304不銹鋼的應力腐蝕開裂，由于目前尚未檢測到氯離子存在，且未發現不銹鋼的敏化現象，因此可不考慮這兩種因素作用。確認該304不銹鋼盤管開裂屬高溫高壓水蒸汽應力腐蝕開裂[7]。

抗高溫高壓水蒸汽應力腐蝕開裂的典型鋼種為Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金和Inconel600鎳基耐蝕合金，Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金具有更加優良的抗高溫水蒸汽應力腐蝕開裂性能，在300℃含8ppm溶解氧的高溫水蒸汽中的抗應力腐蝕開裂性能遠優于304不銹鋼，明顯優于Inconel600鎳基耐蝕合金。Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金含鎳量約為32%，而Inconel600鎳基耐蝕合金含鎳量則高達75%，因此選用Incoloy800替代Inconel600制造盤管不僅有效避免高溫水蒸汽應力腐蝕開裂，還可顯著降低材料成本。

3 結論和建議

(1)該不銹鋼盤管開裂屬高溫高壓水蒸汽應力腐蝕開裂，盤管的工作應力和殼程水蒸汽中的微量溶解氧共同導致了盤管的開裂；

(2)從抗高溫高壓水蒸汽應力腐蝕開裂性能和材料成本因素考慮，可以采用Incoloy800鐵鎳基耐蝕合金替代304不銹鋼盤管；

(3)建議對換熱器殼體進行同樣材料的更換，避免采用304不銹鋼制造殼體，杜絕換熱器殼體發生應力腐蝕開裂。

[1] 戴起勛.金屬材料學[M]. 北京：化學工業出版社，2005: 123-138.

[2] 國家質檢總局. GB/T 21433-2008不銹鋼壓力容器晶間腐蝕敏感性檢驗[S]．北京：中國標準出版社，2008.

[3] 余曉飛．304、306不銹鋼晶間腐蝕的實驗與理論研究[D].濟南:山東大學，2007:11-13.

[4] 全國鋼標準化技術委員會.GB/T14976-2002 流體輸送用不銹鋼無縫管[S]．北京：中國標準出版社，2002.

[5] 鐘群鵬，趙子華．斷口學[M]．北京：高等教育出版社，2006:291-295.

[6] 魏寶明．金屬腐蝕理論及應用[M]．北京：化學工業出版社，1984：156.

[7] 張振杰．奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂探討[J].石油化工腐蝕與防護，2006(2):48-51.

(本文文獻格式：李少東，夏明六.304不銹鋼盤管開裂失效分析[J].山東化工，2016，45(12)：89-91.)

Failure Analysis on Fracture of the 304 Stainless Steel Tubes

Li Shaodong, Xia Minglu

(Center of Tongling special equipment supervision and Inspection, Tongling 244000, China)

Failure analysis of the 304 Stainless Steel Tubes was carried out based on macroscopic analysis, mechanical properties analysis, microstructure analysis, SEM fracture surface analysis. The results showed that the 304 Stainless Steel Tubes was stress corrosion cracking. The content of working stress and dissolved oxygen in water vapor were over standard and the high temperature and high pressure the fracture jointly.

304 stainless steel ; stress corrosion; failure analysis

2016-04-15

李少東(1983—)，安徽六安人，助理工程師，壓力容器檢驗員，主要從事特種設備檢驗檢測工作。

TG172.9

A

1008-021X(2016)12-0089-03