奧氏體不銹鋼制換熱器管箱封頭開裂原因分析

摘要：某煉化企業剛剛投用的換熱器就發生管箱封頭開裂泄漏，通過滲透檢測、金相檢驗、殘余應力測試、斷口形貌分析、能譜分析等方法確定開裂原因為奧氏體不銹鋼氯離子應力腐蝕開裂。

關鍵詞：換熱器;不銹鋼管箱封頭;應力腐蝕開裂

中圖分類號：TB31 ?文獻標識碼：A

引言

氯離子應力腐蝕是煉油煉化行業奧氏體不銹鋼承壓設備的主要損傷模式，本文對某煉化企業剛剛投用就發生泄漏的奧氏體不銹鋼換熱器管箱封頭進行分析，確定氯離子應力腐蝕開裂為泄漏的原因，并提出了避免此類設備部件發生應力腐蝕開裂的措施，尤其是在奧氏體不銹鋼封頭制造過程中的質量監控提出重要建議。

1 設備主要技術參數及現場情況

1.1設備主要技術參數

1.2現場情況

2020年9月某煉化企業裂解裝置剛剛投用的換熱器管箱封頭發生泄漏，現場共發現11處泄漏，漏點均位于管箱封頭與管箱筒體相連焊縫附近，后經緊急停機，拆卸泄漏的換熱器管箱，并對其進行內表面滲透檢測，經檢測發現管箱封頭直邊段內壁存有大量垂于管箱筒體與封頭相連焊縫的縱向裂紋，見圖1。

2 分析過程及結果

2.1硬度測量

對封頭進行全面硬度測試，測試結果顯示，封頭直邊段的硬度均在300HB以上，封頭頂部硬度為210～246HB均已超過標準的上限要求值201HB。

2.2殘余應力分析

對封頭內壁直邊段用小孔法進行殘余應力測試，經測試封頭直邊段殘余應力水平較高，尤其是靠近裂紋附近最高處殘余應力高達639.5MPa。

2.3金相檢驗

經檢驗，封頭的直邊段不同程度出現變形誘導馬氏體組織，見圖2，裂紋金相顯示裂紋是由內壁啟裂向外壁擴展，啟裂部位位于封頭側焊縫熱影響區上，裂紋也為沿晶擴展，呈樹枝狀，具有較典型的應力腐蝕開裂特征，見圖3.

2.4斷口微觀形貌及能譜分析

為排除泄漏部位介質沖刷對斷口形貌的影響，從未裂紋未完全貫穿部位取樣。沿裂紋面人工打開，在掃描電鏡觀察下，斷口表面存在腐蝕產物，啟裂部位主要位于焊縫熱影響區，基本為沿晶開裂，而裂紋擴展部位也以沿晶開裂為主。用X射線能譜儀對斷口表面進行微區成分分析。呈鐵銹紅的區域含有較高Cl元素，見圖4，具備奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的介質條件。

3 開裂原因綜合分析

封頭直邊段尤其是裂紋附近部位殘余應力水平均較高，硬度檢測封頭直邊段硬度均達到300HB以上，嚴重超過標準允許值;金相組織中出現變形誘導馬氏體，上述檢測結果皆為典型的加工硬化特征，表明封頭直邊段受加工硬化影響，材料塑性和韌性遠低于S30408奧氏體不銹鋼正常狀態，產生嚴重的材質脆化現象，為發生應力腐蝕提供高應力環境。

斷口分析結果表明，裂紋斷口上存在裂紋緩慢擴展形成的陳舊性斷面區，即設備投用前就已存在的裂紋。脆性快速擴展形成的較新鮮斷面區，即投用后在已有裂紋尖端發生脆性快速擴展形成的裂紋。陳舊性斷面區均位于內壁焊縫封頭側熱影響區上，且由內壁焊縫封頭側熱影響區啟裂。能譜分析結果表明斷口腐蝕產物具有引發奧氏體不銹鋼應力腐蝕的Cl元素，考慮該換熱器工況介質無并CL元素，可判斷CL素可能來源于制造過程中的水壓試驗或者在設備運輸或長期放置現場（設備現場靠近海邊）表面濃縮而來。

4 結論與建議

綜上分析：1.由于封頭直邊段在制造成型過程中出現嚴重的材質脆化現象，殘余應力過高，導致設備在水壓試驗過程中應力集中處可能會受損甚至產生微小裂紋;2.設備長期在海邊放置過程中可能會產生Cl-應力腐蝕開裂;3.設備投入運行后，由于封頭直邊段部位韌性儲備不足，在殘余應力和工作載荷組合應力作用下陳舊性裂紋發生脆性快速擴展，最終導致裂紋穿透而泄漏。

通過對該設備出廠技術資料查閱，該換熱器制造廠家所用管箱封頭為外購件，出廠技術資料顯示封頭供貨狀態為固溶處理+酸洗鈍化，但通過對封頭的各項理化檢驗可以得出該封頭制造廠家對封頭的制造質量流程把控不嚴，尤其是固溶處理未達到應有的效果，且封頭固溶處理后也未進行硬度測定。換熱器制造廠家對外購件質量檢查也未能及時發現封頭存在嚴重加工硬化。建議特種設備承壓制造廠家加強奧氏體不銹鋼類材料驗收，封頭壓制嚴格按照工藝要求進行，對成型后封頭硬度指標進行嚴格控制，需要固溶處理的嚴格按照工藝進行處理。在不銹鋼類材料承壓設備水壓試壓過程中，須嚴格控制試驗介質的CL離子含量，在設備的儲藏運輸過程中應做好充氮保護，避免外部環境引起CL離子表面聚集濃縮。

參考文獻

[1]承壓設備損傷模式識別 ?GB/T 30579-2014

作者簡介：王世成（1981年生），男，廣東省特種設備檢測研究院湛江檢測院，工程師職稱，從事特種設備檢驗檢測工作