染色機換熱器封頭裂紋及產生機理

關鵬濤， 張明濤， 裘浩田， 潘薛臣， 陸 堅

(1.寧波市特種設備檢驗研究院， 浙江 寧波 315000；2.臺州職業技術學院， 浙江 臺州 318000； 3.寧波市計量測試研究院， 浙江 寧波 315000)

高溫高壓染色機是印染紡織行業的主要設備之一，主要分為噴射溢流型(L型、O型和U型)機、松式染色機、立式染色機及橫開門式染色機。目前，在用各類染色機中，L型機是印染紡織使用最普遍的設備，占比80%以上[1]。企業為了提高印染質量，在染液中加入工業鹽，使得染液中含有大量的氯離子，導致染色機運行過程中出現晶間腐蝕和應力腐蝕破壞[2-3]。染缸應力腐蝕破壞往往在沒有任何明顯變形和預兆情況下發生，引起染缸突然爆炸，造成巨大損失和人員傷亡。多數研究是針對不銹鋼材料本身的腐蝕研究，針對染色機換熱器使用過程中封頭出現橫向裂紋失效的研究相對較少。課題組通過對檢驗中發現的高溫高壓染色機換熱器封頭開裂缺陷進行詳細分析，采用無損檢測、理化分析方法對封頭缺陷位置進行全面檢驗；根據分析結果，提出一些合理性的建議，為壓力容器制造、檢驗以及使用過程提供參考。

1 設備情況

2021年8月，對某企業的近20臺高溫高壓染色機進行首次檢驗，根據資料顯示該批設備的制造日期為2018年8—10月。高溫高壓染色機殼程設計壓力為0.60 MPa，設計溫度為164 ℃；管程設計壓力為0.40 MPa，設計溫度為150 ℃。殼程工作介質為飽和水蒸氣，管程工作介質為染色液；換熱器筒身內徑為450 mm，長2 200 mm，壁厚為5.0 mm，封頭壁厚為4 mm；材質為S31603。檢驗時發現該批設備中的7臺換熱器靠近機頭一側的封頭有明顯的泄漏痕跡，如圖1所示為其中一臺換熱器封頭的泄漏部位。隨后對這臺換熱器封頭泄漏原因進一步分析。

圖1 換熱器封頭泄漏部位Figure 1 Leakage part of heat exchanger head

2 分析

2.1 宏觀、無損檢測

經宏觀檢測發現，封頭有明顯的泄漏痕跡，外表面封頭的折邊處均勻分布著細長條形機械劃痕，將封頭拆卸之后發現同一部位的內表面同樣均勻分布著機械劃痕，如圖2所示。經滲透檢測發現靠近染缸機頭一側的封頭折邊處外表面存在20處橫向裂紋，裂紋尺寸如表1所示。圖3為裂紋宏觀形貌，可以看出，裂紋呈直線狀，與機械劃痕重合，裂紋尖端是在遠離法蘭與封頭的角焊縫方向。由此可以初步判斷裂紋是在靠近角焊縫的位置起裂，且與機械劃痕有關；內表面由于腐蝕坑原因無法辨識。對比同一處內、外表面裂紋長度，可以明顯發現外表面裂紋長度比內表面長。

圖2 封頭2個表面宏觀情況Figure 2 Macroscopic condition of inside and outside surface of head

圖3 裂紋宏觀形貌Figure 3 Macroscopic morphology of crack

表1 封頭外表面折邊處裂紋尺寸

2.2 硬度測定

對封頭內、外表面進行硬度測定，測定點位置如圖4所示，沿封頭內、外表面的同一輪廓線上由直邊段到橢圓面測定。測定結果如圖5所示，內、外表面硬度值沿輪廓線由直邊段到橢圓面逐漸降低，內、外表面硬度值在各個位置的相差不大，硬度值的最大值均處在直邊段區內，且最大值是最小值約2倍。產生這一結果的原因是由于不銹鋼材料具有較高的塑性，在封頭冷加工過程中，很容易出現加工硬化。同時，在冷加工變形的時候，由于發生冷狀態下的塑性變形，在變形較大部位產生較多殘余內應力。這種殘余應力保留在金屬內部，有殘余應力的位置，硬度會提高。由此可以反映出在封頭直邊段及過渡區域存在較大的殘余應力[4]。

圖4 封頭硬度與鐵素體質量分數檢測點位置Figure 4 Location of head hardness and ferritic content detection point

圖5 封頭2個表面硬度沿輪廓線的變化Figure 5 Change of two surface hardness of head along contour line

2.3 染液成分分析

對染液進行成分檢測發現氯離子質量分數為179 mg/L。設計資料中的技術要求規定：染料和染料輔助劑中的氯離子質量分數≤25 mg/L。由此可以看出，設備中的染液的氯離子遠遠超過規定值。同時檢驗人員在現場發現設備旁邊堆放著工業鹽，同樣可以初步判斷染液中的氯離子大部分來自于這些工業鹽。而奧氏體不銹鋼對含有氯離子的介質特別敏感，這是由于氯離子尺寸很小，可以輕易地穿過不銹鋼表面鈍化膜的縫隙，與陽離子結合形成可溶性氯化物，最終導致鈍化膜遭受破壞，裸露出基體金屬。金屬在腐蝕介質中，作為腐蝕電池的陽極，發生陽極溶解，在此區域的腐蝕進一步加深，形成腐蝕坑[5-6]。如圖6所示，可以明顯看出，該設備封頭內表面鈍化膜已經遭到破壞，形成許多腐蝕坑。

圖6 封頭內表面腐蝕坑Figure 6 Corrosion pit on inner surface of head

同時，在封頭直邊段焊縫部位以及外表面角焊縫的焊接痕跡附近的腐蝕情況明顯比其他部位嚴重，在這些位置附近已經產生裂紋。這是由于在封頭直邊段及過渡區域存在較大的殘余應力，腐蝕坑在應力作用下產生裂紋，使得染色機的封頭內表面產生裂紋。

2.4 材質成分分析

根據腐蝕情況，對封頭材質是否是S316產生懷疑。對封頭內、外表面進行光譜分析，分析結果如表2所示，可以看出基本化學成分符合S321的要求，封頭在制造過程中選材不符合設計要求。S316與S321雖然都屬于奧氏體不銹鋼，但還是有一些區別。S321不銹鋼由于在S304基礎上加入Ti，具有較好的耐晶界腐蝕性。S316L不銹鋼由于在S304基礎上添加Mo，故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強度特別好，可在苛酷的條件下使用；同時其加工硬化性優(無磁性)，具有良好的強度、塑性、韌性和冷成型性及良好的低溫性能。在添加2%的Mo時，具有良好的耐還原性介質和耐點蝕能力[7]。

表2 封頭材質的化學成分

2.4 金相分析

選取封頭一處裂紋取樣分別對外表面、內表面以及厚度方向截面進行金相分析。裂紋宏觀形貌，如圖7所示。從圖7可以看出，外表面裂紋呈樹枝狀，且帶有分支；內表面并無分支。由厚度方向的裂紋宏觀形貌可以看出裂紋起源于封頭內表面腐蝕坑，裂紋同樣呈樹枝狀，帶有分支。圖8～10所示為封頭外表面、內表面以及厚度方向裂紋在放大100倍和放大500倍下的金相組織圖。圖8(a)、9(a)和10(a)中的橢圓圈部分表示放大500倍時金相組織圖的位置。可以看出，外表面、內表面以及厚度方向裂紋均是穿晶擴展，同時在3個位置發現由許多尺寸大致相同的且幾乎平行的細條結合起來的組織，這些組織在厚度方向分布最多。裂紋在這些組織內部擴展時，大致平行于細條。根據組織形態可以判斷出由細條結合起來的組織是馬氏體。奧氏體不銹鋼在冷加工過程中，因發生塑性變形，奧氏體組織轉變為馬氏體組織[8-9]。對于封頭，形變最嚴重的位置為直邊段厚度方向，因此在厚度方向馬氏體分布較多。

圖7 裂紋宏觀形貌Figure 7 Macroscopic morphology of crack

圖8 封頭外表面裂紋金相組織Figure 8 Metallographic structure of crack on outer surface of head

由于奧氏體為順磁性組織不具有鐵磁性，但形變馬氏體具有鐵磁性，因此可以通過測定組織中鐵素體質量分數得到形變馬氏體的相對體積分數，而采用鐵素體測量儀可以獲得鐵素體質量分數[9]。如圖11所示，內、外表面鐵素體質量分數沿輪廓線的變化情況基本一致，即由直邊段到橢圓面逐漸降低。直邊段位置的鐵素體質量分數最高，橢圓面最低。外表面最高達到23.3%，最低為0.55%；內表面最高達到12.6%，最低為0.56%。外表面鐵素體質量分數最大值是內表面的2倍左右，最小值基本一致。這些數據反映出直邊段位置的馬氏體組織體積分數較高，外表面馬氏體體積分數最大值是內表面的2倍左右。與同一位置的硬度變化情況基本一致。應力腐蝕敏感性與形變馬氏體質量分數有著密切的聯系，形變馬氏體能夠提高奧氏體不銹鋼的應力腐蝕和點腐蝕敏感性[10]。由于腐蝕坑處裂紋沿厚度方向裂穿之后染液流出，內、外表面在相同的介質環境下，外表面的馬氏體體積分數和硬度都比較高，造成外表面的裂紋擴展速率比內表面快。

圖11 封頭2個表面鐵素體質量分數沿輪廓線的變化Figure 11 Variation of ferrite content on two surface of head along contour line

因此，封頭在冷加工過程中，應當嚴格控制形變馬氏體的體積分數[11]。但是，在標準GB150—2011中未對奧氏體不銹鋼鐵冷加工后的鐵素體質量分數進行限定。因此建議在相關國家標準中增加對奧氏體不銹鋼鐵冷加工后的鐵素體質量分數限定，以避免形變馬氏體超標。

結合以上分析，可以得出：高溫高壓染色機換熱器封頭開裂是由于采用抗點腐蝕較弱的S321材料，在冷加工過程中造成內、外表面機械劃痕以及形變馬氏體組織未得到及時處理，在高溫、殘余應力以及氯離子環境共同作用下形成的氯化物應力腐蝕開裂。

圖9 封頭內表面裂紋金相組織Figure 9 Metallographic structure of crack on inner surface of head

圖10 封頭厚度方向裂紋金相組織Figure 10 Metallographic structure of crack in head thickness direction

3 結論

課題組對某企業的近20臺高溫高壓染色機進行檢驗，通過對檢驗中發現的高溫高壓染色機換熱器封頭開裂缺陷進行分析研究，得出以下結論：

1) 換熱器封頭開裂是由于采用抗點腐蝕較弱的S321材料，在冷加工過程中造成內、外表面機械劃痕以及形變馬氏體組織未得到及時處理，在高溫、殘余應力以及氯離子環境共同作用下形成的氯化物應力腐蝕開裂；

2) 外表面的裂紋擴展速率比內表面的快；

3) 裂紋在馬氏體組織內部的擴展時，擴展方向大致平行于細條；

4) 外表面直邊段馬氏體體積分數和硬度最大值是內表面的2倍左右。

根據研究結果，提出以下合理建議：

1) 根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》，存在缺陷的封頭應當對缺陷修理或更換；

2) 封頭在冷加工過程中，應當避免殘余應力與形變誘發的馬氏體的產生以及表面機械損傷，可以通過熱處理工藝以及表面拋光進行改善；

3) 封頭進廠時，可采用滲透檢測以及光譜分析，對封頭內外表面以及材質進行復驗；

4) 在使用過程中，應當嚴格控制染液中的氯離子質量分數，必要時可在染液進口加裝氯離子檢測裝置；

5) 建議在相關國家標準中增加對奧氏體不銹鋼冷加工后的鐵素體質量分數限定。