復合板封頭的敏化和避免措施

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某化工廠生產聚氯乙烯的裝置于2006年12月投入使用，2007年12月年度檢查時，對其中兩臺接受槽(V-211A和V-211C)進行了內表面滲透檢查，發(fā)現(xiàn)其下封頭內表面出現(xiàn)了大量密集的細微線狀顯示，通過金相分析和熱應力分析確定：其封頭復層奧氏體不銹鋼敏化后，在后續(xù)的封頭成型和服役過程中產生沿晶裂紋乃至部分晶粒脫落的典型晶間腐蝕現(xiàn)象。

1 設備概況

接受槽為第I類壓力容器，壓力為0～750kPa(g)，工作溫度為50～67℃，介質為氯乙烯單體、過氧化物、偶氮化合物引發(fā)劑、蒸汽等。介質中含有Cl-，一定條件下發(fā)生水解反應，生成HCl，溶于水形成鹽酸，屬于對奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕介質。

槽內直徑4 500mm，槽容積150m3，筒體和封頭均為復合板，基層材料16MnR，復層材料0Cr18Ni9。下封頭和筒體下部分別安裝有攪拌器。封頭厚度為30+3mm，筒體厚度有攪拌器部分為28+3mm，無攪拌器部分為16+3mm。

封頭為內徑4 500mm的標準橢圓形，用復合板由正火態(tài)30mm厚的16MnR板和固溶態(tài)3.1mm厚的0Cr18Ni9板爆炸復合而成，復合后經正火溫度熱處理(920±10℃保溫60min，出爐風冷)消除爆炸應力。

2 腐蝕狀況

超聲測厚顯示，筒體和封頭未有減薄或減薄不明顯，說明均勻腐蝕不明顯。

滲透檢查在筒體內壁未發(fā)現(xiàn)裂紋，上封頭內壁有零星細小線狀顯示，在下封頭發(fā)現(xiàn)大面積密集的細小線狀顯示，疑是微裂紋(見圖1(a)與圖1(b))。出現(xiàn)在封頭的整個區(qū)域，其中，封頭直邊到圓弧過渡段分布較為集中。

3 金相分析

對PT顯示最嚴重的V-211A下封頭及其附近筒體內表面選取12處打磨，進行金相覆膜檢查，按檢查順序編號為1#到12#，位置見圖2(a)與圖2(b)。其中，4#、5#位于封頭直邊段，12#位于封頭圓弧過渡區(qū)。

圖1 下封頭內表面PT顯示

圖3(a)、3(b)是4#位置的金相照片，為沿晶裂紋形貌，部分晶粒呈脫落狀，組織為奧氏體+晶界滑移線上的碳化物；圖3(c)、3(d)是5#位置的金相照片，為沿晶裂紋形貌，組織為奧氏體+晶界滑移線上的碳化物；圖3(e)、3(f)是12#位置打磨較深處的金相照片，為殘余顯微裂紋形貌，組織為奧氏體。晶界滑移線上出現(xiàn)碳化物、沿晶出現(xiàn)裂紋，甚至晶粒脫落的現(xiàn)象，說明復層0Cr18Ni9發(fā)生了敏化，并在服役過程中產生了晶間腐蝕。

圖3 V-211A下封頭處金相照片

4 敏化的原因分析

回顧封頭的成型和熱處理，坯料制備和拼焊完成后，首次熱處理(600±20℃保溫80min，爐冷到480℃后出爐風冷)，然后鼓壓成型，再經中間熱處理(制度同首次熱處理)，然后旋壓成型，最后經熱處理(用980℃保溫30min，22min內強制風冷至400℃)。

首次熱處理是為了消除焊接應力，中間熱處理是為了消除變形殘余應力，最終熱處理是為了消除變形殘余應力和消除前兩次熱處理對奧氏體不銹鋼復層產生的敏化，恢復其固溶狀態(tài)。

奧氏體不銹鋼在540～845℃存在敏化區(qū)[1]，當奧氏體不銹鋼在該溫度區(qū)保溫、緩慢升溫或緩慢冷卻時，奧氏體中過飽和的碳將和Fe、Cr化合成(Cr、Fe)23C6，沿晶界沉淀析出，從而造成晶界附近區(qū)域貧鉻，使晶界處于首先被腐蝕的狀態(tài)——敏化狀態(tài)。0Cr18Ni9材料在650℃保溫10min就存在敏化的危險[2]，封頭復層材料在600±20℃兩次保溫80min后已經嚴重敏化，在后來的旋壓成型過程和使用過程中，封頭變形大的地方(如圓弧過渡段)就容易萌生裂紋和產生晶間腐蝕。最終熱處理采用980℃保溫30min、22min內強制風冷至400℃的制度，是希望消除復層不銹鋼的敏化并恢復到固溶狀態(tài)。由實際封頭的晶間腐蝕狀況可知，該熱處理制度消除敏化的效果并不理想。

5 避免措施

奧氏體不銹鋼敏化后，在腐蝕介質中易發(fā)生晶間腐蝕，出現(xiàn)晶間開裂、晶粒脫落，甚至加速全面腐蝕，因此該兩只下封頭已經沒有修復的意義，需要重新制造替換。重新制造封頭存在如下兩種解決敏化問題的方案。

(1)改旋壓成型為分瓣成型，免除熱處理，避開奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)，保持不銹鋼的固溶狀態(tài)是最有效的防止敏化和晶間腐蝕發(fā)生的方法。

(2)用超低碳的奧氏體不銹鋼00Cr19Ni10代替0Cr18Ni9；仍采用原成型工藝，僅修改最終熱處理制度，使封頭的敏化減輕或消除。

實際采用了第二種方案來制造新封頭。該方案的關鍵在于最終熱處理需平衡兩個方面：第一，為消除成型過程中產生的敏化，熱處理溫度應足夠高，最好能達到奧氏體不銹鋼的固溶處理溫度，結合在晶界的碳化物需要足夠高的溫度才開始分解，時間應足夠長，晶界的碳元素需要時間擴散固溶到奧氏體中；第二，為保證基層碳鋼的強度和沖擊韌性，熱處理溫度和時間不能過高和過長，最好能控制在碳鋼材料的正火溫度范圍。

通過取樣模擬試驗證實：980℃保溫50min，出爐22min內降溫至400℃的熱處理制度，可消除或避免復層奧氏體不銹鋼的敏化，基層碳鋼的強度和韌性雖有降低，但仍能滿足相應材料標準的要求。

因此，修改后的最終熱處理方案為：保溫溫度仍為980℃，將測溫熱電偶栓接在封頭內表面確保封頭內表面所有測溫點都達到980℃；延長保溫時間到50min；封頭出爐，采用水霧冷卻，確保22min內封頭降溫至400℃。

新封頭最終熱處理完成后，經金相覆膜檢查，沒有發(fā)現(xiàn)敏化現(xiàn)象；組織為奧氏體，奧氏體晶界不明顯，細小矩形孿晶可見，為固溶態(tài)組織(見圖4)。

圖4 新封頭最終熱處理后金相照片

6 結語

經過以上分析，可得以下結論：①封頭成型中的兩次熱處理，使復層奧氏體不銹鋼發(fā)生了敏化；最終熱處理沒能有效消除敏化的影響；②封頭復層材料改為超低碳奧氏體不銹鋼，最終熱處理時間延長至50min，冷卻方式改為水霧冷卻，有效解決了復合板封頭的敏化問題，防止了晶間腐蝕的發(fā)生。