某反應釜盤管泄漏失效分析

呂斌峰

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

某系統反應釜使用后發現有冷卻水從釜體外部保溫層內流出，該盤管材質為SA-240 304L，該釜冷卻水使用后會有60s 的時間進行氣體吹掃以排出管內積水（不排除有水分殘留）。經拆開保溫后發現，最下面一根盤管有2 處裂紋，經超聲波測厚儀測量，該處壁厚檢查未見明顯異常，如圖1(a)所示。取樣切開后發現有嚴重銹跡，如圖1(b)所示。為了查明失效原因，取樣進行化學成分檢測，拉伸試驗，金相檢驗等試驗。

圖1 實物裂紋照片

表2 管子拉伸試驗結果

圖2 金相照片

1 理化試驗

1.1 化學成分分析

如圖1(b)所示化學成分樣品處取樣，采用臺式直讀光譜儀對接管外壁及內壁進行化學成分分析，結果見表1。結果顯示，其成分滿足標準要求。

1.2 拉伸試驗

在裂紋附近處縱向取樣進行室溫拉伸性能試驗，拉伸試樣寬度為12.5mm，厚度按原管壁厚，按照GB/T228.1 試驗方法進行拉伸試驗，試驗結果如表2 所示，滿足標準要求。

1.3 金相檢驗

將切割后的管子沿裂紋處取樣進行金相檢驗，將樣品打磨拋光用10%草酸電解腐蝕后，在金相顯微鏡下放大12.5倍觀察裂紋走向，可以看出從管內壁往外壁擴展，見圖2 所示。分別放大100X，200X，500X 后觀察，金相結果顯示：組織為奧氏體組織，裂紋主要為穿晶裂紋，其裂紋呈明顯的支狀裂紋，見圖2 所示。

表1 管子內外壁化學成分

圖3 奧氏體不銹鋼SCC 與氯離子濃度和溫度的關系

由以上理化試驗結果，可知此盤管材料的化學成分、拉伸試驗性能均滿足標準要求。金相檢驗結果表明，材料組織為正常奧氏體組織，裂紋由內壁向外壁擴展，裂紋主要為穿晶裂紋，呈枝狀分布。

2 分析與討論

經過調查了解，本項目所使用的盤管材料為304L 材料，盤管由板材冷成形壓制而成，本身應力較大，加上焊接過程還會再次增加應力，導致材料內部存在較大應力，且冷卻水中CL 離子濃度高達210ppm，溫度達180℃，具備了產生應力腐蝕開裂的三要素，很容易產生應力腐蝕開裂（SCC）。

溫度是影響應力腐蝕的重要因素之一，隨著溫度的升高，發生SCC 的氯離子濃度在降。由文獻可知當溫度達到180℃時，較低的氯離子濃度即可發生SCC。從金相結果也可以看出為典型的應力腐蝕裂紋。從使用環境來說，CL 離子濃度高，操作溫度高，本身就具有很高的應力腐蝕敏感性。

控制應力腐蝕失效的方法，需要從應力腐蝕開裂三要素(材料敏感性、內應力，環境介質)著手解決。

（1）對于材料，高應力腐蝕敏感性環境需要選用耐應力腐蝕不銹鋼。從敏感性高低排列，304L＞316L＞2205。含Mo 的316L 奧氏體不銹鋼耐應力腐蝕性能要優于304L，而奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼的抗應力腐蝕能力最好。

（2）控制應力，在壓力容器制造過程中，盡可能降低存在的應力。如本項目盤管為薄板卷成盤管，本身開平板應力就比較大，再經過加工成形已經后續安裝焊接等工序，造成應力的疊加。如果盤管由管子彎制而成，內應力將會小很多。

（3）環境介質，對于化工設備，其使用的工藝條件對應力腐蝕有巨大影響，其工藝介質中的氯離子含量、溫度、PH 值、溶解氧含量等都會影響設備的使用。應做到按照介質條件，使用工況情況來選擇合適的材料進行制造，可通過添加緩蝕劑來降低工藝介質的腐蝕特性。

3 結語

（1）該盤管是由于冷卻水氯離子濃度較高，使用溫度較高引起的SCC。

（2）通過改變盤管的材料來提高此操作條件下的耐應力腐蝕能力。

（3）通過添加緩蝕劑來降低冷卻水的氯離子含量，降低使用溫度來減緩應力腐蝕敏感性。