不銹鋼殺菌鍋封頭裂紋分析

黃孟

摘要：在不銹鋼殺菌鍋定期檢驗(yàn)中，宏觀檢查發(fā)現(xiàn)蝶形封頭內(nèi)表面存在變形、裂紋缺陷，采用滲透檢測、化學(xué)成分分析、硬度分析及氯離子含量分析等檢驗(yàn)、檢測方法分析驗(yàn)證，判定該裂紋缺陷為應(yīng)力腐蝕開裂。文中深入分析裂紋產(chǎn)生的原因，提出整改和預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;殺菌鍋;應(yīng)力腐蝕開裂;防護(hù)措施

Analysis on Cracks in the Sealed Head of Stainless Steel Sterilization Pots

HUANG Meng

（Zhangzhou Branch of Fujian Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Zhangzhou 363000，F(xiàn)ujian，China）

Abstract：? In the regular inspection of stainless steel sterilization pot， the macro inspection found that there are deformation and crack defects on the inner surface of the dished head. Penetration testing， chemical composition analysis， hardness analysis， and chloride ion content analysis are used to analyze and verify the inspection and testing methods to determine that the crack defect is stress corrosion cracking. This paper deeply analyzes the causes of cracks， and finally puts forward rectification and preventive measures.

Key Words： Austenite stainless steel; Sterilization pot; Stress corrosion cracking; Protection measure.

1 前言

隨著預(yù)包裝和罐頭食品行業(yè)生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，以及相關(guān)法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)對壓力容器檢驗(yàn)、使用管理的進(jìn)一步嚴(yán)格要求，奧氏體不銹鋼制殺菌鍋的使用普及率越來越高。文中根據(jù)TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]規(guī)定，對某食品企業(yè)一臺立式殺菌鍋進(jìn)行定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)作為頂蓋使用的上封頭內(nèi)表面圓心處存在不符合要求的嚴(yán)重裂紋缺陷。文中針對該裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析討論，并提出相應(yīng)的預(yù)防整改措施，以期提高類似設(shè)備在生產(chǎn)使用中的安全性，避免出現(xiàn)安全事故。表1為問題殺菌鍋設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。

2 檢驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 宏觀檢查與滲透檢測

對封頭內(nèi)、外表面進(jìn)行宏觀檢查，檢查結(jié)果如圖1所示。檢查發(fā)現(xiàn)封頭頂部與連接軸支撐件的連接采用單面焊的角接接頭形式，且角焊縫存在多個嚴(yán)重的氣孔及咬邊缺陷，最大氣孔直徑為6mm，不符合TSG 21-2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定的焊接接頭表面不得有表面氣孔缺陷。

內(nèi)表面頂部圓心處存在一圈明顯的熱變形圓圈，變形圓圈直徑300mm，寬度8mm，與外表面角焊縫完全對應(yīng)一致，屬于角焊縫熱影響區(qū)，同時在熱變形圓圈內(nèi)與母材交界處存在一些肉眼可見的明顯裂紋，說明該角焊縫的施焊未進(jìn)行焊接工藝評定或未能嚴(yán)格按照評定合格的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行施焊，導(dǎo)致熱影響區(qū)存在較大的焊接殘余應(yīng)力。

根據(jù)宏觀檢查結(jié)果，進(jìn)一步采用DPT-5著色滲透探傷劑對封頭內(nèi)、外表面缺陷位置進(jìn)行滲透檢測，如圖2所示。結(jié)果顯示，外表面角焊縫未發(fā)現(xiàn)其它裂紋缺陷，而角焊縫對應(yīng)的內(nèi)表面熱影響區(qū)存在一整圈嚴(yán)重的縱向及橫向裂紋缺陷，裂紋均有分叉，呈樹枝狀分布，且由粗寬逐漸變細(xì)，尖端尖銳。根據(jù)上述的檢測結(jié)果分析，該區(qū)域裂紋符合明顯應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

2.2化學(xué)成分分析

對封頭內(nèi)表面裂紋區(qū)域的母材本體和外表面角焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。分析結(jié)果顯示，封頭所用材料和角焊縫材質(zhì)成分均符合GB 24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)要求，表明封頭所使用奧氏體不銹鋼材料、焊接材料的化學(xué)成分與材質(zhì)證明書中標(biāo)稱的06Cr19Ni10相符。因此，可以判定裂紋缺陷的產(chǎn)生與封頭本身材質(zhì)和焊接材料無關(guān)，應(yīng)與制造過程和其他影響因素有關(guān)。

2.3硬度分析

對封頭內(nèi)表面裂紋區(qū)域采用HT-2000A型里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，檢測示意圖及結(jié)果如圖3所示。

結(jié)果表明，封頭內(nèi)表面角焊縫熱影響區(qū)的變形、裂紋區(qū)域硬度值明顯增大，已超過GB24511-2009規(guī)定的06Cr19Ni10不銹鋼硬度值（≤201HB）。說明在角焊縫的焊接及冷卻過程中，封頭變形、裂紋區(qū)域的金相組織發(fā)生了嚴(yán)重畸變，形成一定量的馬氏體組織結(jié)構(gòu)，該區(qū)域不再是單一奧氏體組織，而是奧氏體、馬氏體兩相組織并存，組織應(yīng)力較大，硬度異常升高，導(dǎo)致裂紋區(qū)域內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步集中增大。

2.4 介質(zhì)氯離子含量分析

對殺菌鍋中工作介質(zhì)的pH值和氯離子含量進(jìn)行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)工作介質(zhì)的pH值為6.9，氯離子含量124.6mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)[2]要求的25mg/L，滿足了與奧氏體不銹鋼配對形成敏感金屬及敏感介質(zhì)的環(huán)境條件。

2.5總結(jié)分析

綜上所述，在確認(rèn)奧氏體不銹鋼材質(zhì)正常的前提下，由于封頭裂紋區(qū)存在明顯的應(yīng)力集中，所以在氯離子含量超標(biāo)的介質(zhì)環(huán)境中，該區(qū)域滿足了應(yīng)力腐蝕開裂的三個具備條件，包括對介質(zhì)敏感的材料、特定的腐蝕介質(zhì)和足夠大的應(yīng)力。因此，最終判定該殺菌鍋封頭內(nèi)表面裂紋缺陷產(chǎn)生的主要原因?yàn)閵W氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。

3 原因分析與結(jié)論

根據(jù)上述總結(jié)分析，封頭內(nèi)表面熱影響區(qū)裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開裂。而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的兩個基本條件——拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生和作用的機(jī)理分析如下：

3.1應(yīng)力產(chǎn)生原因

通過宏觀檢查和硬度檢測確定變形、裂紋區(qū)域存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中。產(chǎn)生的原因分為以下兩種：

一是在焊接過程中，焊縫及熱影響區(qū)內(nèi)部各部分的溫度處于嚴(yán)重的不均勻狀態(tài)，其熱膨脹程度也明顯不同，這種“不同”彼此間干擾，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，當(dāng)各部分的熱應(yīng)力超過母材的屈服強(qiáng)度，則形成熱塑性變形[3]。同時在變形冷卻過程中，又因各部分的溫降速率不同會導(dǎo)致金相組織發(fā)生畸變，產(chǎn)生形變馬氏體，且由于相變的發(fā)生也會在材料中產(chǎn)生應(yīng)力，而這一應(yīng)力如果不進(jìn)行處理將一直存在，最終導(dǎo)致硬度值變大，內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步集中增大。

二是由于生產(chǎn)需要，該設(shè)備反復(fù)進(jìn)行殺菌，使用頻率高，每次使用時該角接接頭及熱影響區(qū)還承受外加交變載荷和冷熱沖擊交變循環(huán)應(yīng)力的共同作用。且由于該部位本身屬于不連續(xù)結(jié)構(gòu)，在承受應(yīng)力狀況相同的情況下，峰值應(yīng)力對該位置的影響很大。

3.2氯離子的腐蝕機(jī)理

該殺菌鍋主要用于蒸煮粽子，介質(zhì)為水、水蒸氣及產(chǎn)品粽子，由于粽子含有較高的鹽分且無法在完全密封后進(jìn)行殺菌。因此，在高溫殺菌過程中，氯離子會滲入到水蒸氣和冷凝水中。文中封頭內(nèi)表面的焊接變形，可能對不銹鋼表面的鈍化膜產(chǎn)生一定破壞，使得氯離子容易在表面附著聚集濃縮，且氯離子是一種微小離子，對金屬有著很強(qiáng)的穿透能力，一旦材料表面鈍化膜在機(jī)械加工或使用過程中出現(xiàn)微缺陷，就容易穿透鈍化膜的間隙直接接觸金屬表面[4]。由于氯離子的聚集和應(yīng)力的存在，一方面阻止新的鈍化膜形成，另一方面加速裂紋尖端的形成，并在尖端處形成應(yīng)力集中，當(dāng)達(dá)到足夠的能量時引起開裂，使尖端材料變形，尖端能量被消耗，致使擴(kuò)展的裂紋停止，然后重新進(jìn)行電化學(xué)過程，在裂紋尖端重新建立應(yīng)力集中，這種過程不斷重復(fù)，進(jìn)而出現(xiàn)溝型微縫，最終引起嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂[5]。

綜上所述，在高溫高壓環(huán)境下，由于焊接殘余應(yīng)力和峰值應(yīng)力的共同作用，封頭熱影響區(qū)的抗腐蝕性能明顯下降，氯離子的應(yīng)力腐蝕開裂是導(dǎo)致內(nèi)表面樹枝狀裂紋產(chǎn)生的主要原因，而運(yùn)行中疲勞交變應(yīng)力為腐蝕裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的次要原因。

4 整改和預(yù)防措施

根據(jù)上述應(yīng)力腐蝕開裂分析結(jié)果，文中從設(shè)備的制造控制、使用管理等方面提出以下整改和預(yù)防措施。

（1）制造單位。一是在容器制造施焊過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，避免焊接缺陷、焊接變形和減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。二是在保證材料質(zhì)量的前提下，考慮在冷加工或焊接后進(jìn)行整體熱處理，以達(dá)到消除形變馬氏體、消除焊接殘余應(yīng)力以及降低硬度的目的。

（2）使用單位。一是由有資質(zhì)的單位對產(chǎn)生裂紋的封頭進(jìn)行修理或更換。二是在設(shè)備日常使用過程中，改善產(chǎn)品的包裝工藝，避免在殺菌過程中鹽分泄漏至工作介質(zhì)當(dāng)中，并嚴(yán)密監(jiān)控介質(zhì)中的氯離子含量不大于20mg/L。同時，及時清理鍋中的介質(zhì)殘留，避免形成應(yīng)力腐蝕環(huán)境。三是在設(shè)備使用和檢修過程中，避免對殺菌鍋本體表面造成各種機(jī)械損傷缺陷，最大程度上避免氯離子的濃縮聚集。

參考文獻(xiàn)

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[2]壓力容器：GB 150-2011[S].

[3]張吉，馬鋼.淺談奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013，26（3）：69-71.

[4]譚潤輝.不銹鋼制殺菌釜產(chǎn)生裂紋缺陷分析及防護(hù)[J].中國設(shè)備工程，2020，（14）：145-147.

[5]張國華，李敬高.奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕分析研究[J].焊接技術(shù)，2002，31（6）：53-54.