螺旋管換熱器使用的304不銹鋼管開裂原因的分析報告

 浙江至德鋼業(yè)有限公司為了分析304不銹鋼管開裂的原因，對開裂鋼管進行成分分析和金相檢測，同時對鋼管中的水質(zhì)進行分析。結(jié)果表明:此裂紋為應力腐蝕裂紋;在60～120℃溫度環(huán)境下使用時，鋼管中水質(zhì)的氯離子含量及總硬度嚴重超標是導致不銹鋼管在應力處發(fā)生應力腐蝕斷裂的主要原因。

 應力與環(huán)境腐蝕協(xié)同作用下引起金屬開裂(或斷裂的現(xiàn)象)叫做應力腐蝕開裂(SCC)。發(fā)生應力腐蝕開裂必須有2個條件存在即應力和腐蝕介質(zhì)。應力腐蝕是不銹鋼重要失效形式之一，典型的應力腐蝕裂紋呈樹枝狀。不同腐蝕介質(zhì)環(huán)境下不銹鋼的應力腐蝕行為研究是不銹鋼腐蝕研究的一項重要內(nèi)容。作為典型的不銹鋼應力腐蝕重要因素之一，氯離子對奧氏體不銹鋼應力腐蝕行為的影響更是被人們廣泛地研究。由于不銹鋼在實際應用中經(jīng)常處于變溫的腐蝕介質(zhì)中，溫度對于不銹鋼腐蝕的影響倍受關注，成為不銹鋼腐蝕研究的一項不可或缺的重要內(nèi)容。304不銹鋼管是非穩(wěn)態(tài)奧氏體，在一定溫度或一定水質(zhì)環(huán)境下會發(fā)生應力腐蝕，由于應力腐蝕屬于緩慢性腐蝕，因此，也是不銹鋼中最常見的腐蝕，并且是造成不銹鋼成套設備發(fā)生事故的最主要的腐蝕。至德鋼業(yè)結(jié)合實際例子，說明不銹鋼發(fā)生應力腐蝕開裂的過程以及對設備造成的危害，分析了其產(chǎn)生的原因，找出合理的方法避免發(fā)生應力腐蝕開裂。

一 、試驗對象與研究方法

 1. 試驗對象

 售往某公司的304不銹鋼管在冷加工制成螺旋管換熱器使用半年后發(fā)生了開裂，管中通水和油，如圖所示。缺陷件厚約4mm，在兩面均發(fā)現(xiàn)大量裂紋，裂紋發(fā)生在水油相交的位置附件，裂紋略呈鋸齒狀，并呈斷續(xù)分布，且有的已呈穿透性裂紋。在裂紋附近有大量腐蝕坑，顯微鏡上放大觀察，裂紋呈樹枝狀，與應力腐蝕裂紋示意圖相似。

 2. 研究方法

 取開裂樣1條，進行成分分析、金相分析。成分分析在美國熱電直讀光譜儀上進行。對管中的水樣進行水質(zhì)分析，包括氯離子、含鹽量等指標進行分析。研磨拋光后的金相試樣進行裂紋處微觀形貌分析，以及用硝酸加硫酸加氯化鐵混合溶液腐蝕后，在蔡司金相光學顯微鏡下觀察組織形貌。

二、試驗結(jié)果與討論

 1. 成分分析結(jié)果

 對加工前和加工后的試樣進行成分分析，分析結(jié)果表明加工前和加工后成分沒有變化，結(jié)果見表。

 2. 水質(zhì)分析

 按照GB50050—2007的規(guī)定，對于不銹鋼換熱設備，要求在使用過程中循環(huán)冷卻水出水溫度小于45℃時，管內(nèi)壁溫度不大于70℃時，氯離子質(zhì)量濃度不大于700mg/L，總硬度不大于1100mg/L;當冷卻水大于45℃，管內(nèi)壁溫度大于70℃時，要求總硬度小于200mg/L，對氯離子沒有要求。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，此不銹鋼換熱設備在使用過程中其冷卻水溫度基本介于60～120℃，對采集的水樣進行分析，結(jié)果顯示氯離子的質(zhì)量濃度為408.95mg/L，總硬度達到1065.96mg/L，顯然總硬度超標。GB50050—2007雖然對于氯離子的要求沒有提到，但是在GB50050—1995中明確提出，氯離子質(zhì)量濃度要不大于300mg/L，顯然按GB50050—1995標準判斷，此次水質(zhì)中實測氯離子質(zhì)量濃度大大超標。

 3. 金相分析結(jié)果

 圖為螺旋板換熱器上部焊縫至定距柱與板焊縫間的切割面顯微特征。從圖可以看出:裂紋起始于水面，向油面延伸擴展，主要集中在上部焊縫附近的循環(huán)水和水蒸氣界面附近以及定距柱與板焊縫附近。圖中小箭頭的密集程度代表其數(shù)量和嚴重性。從圖3可以看出，分布于焊縫附近的大量裂紋從水面的腐蝕溝向油面延伸擴展，呈“干樹枝”狀，裂紋邊緣有的呈鋸齒狀，有的已呈穿透型裂紋，屬應力腐蝕裂紋。樹枝狀裂紋是不銹鋼在氯離子環(huán)境下應力開裂的典型特征。對缺陷試樣進行腐蝕后的金相組織，如圖所示。圖為缺陷件切割面顯微組織特征，從圖中可以看出:裂紋位于焊縫熱影響區(qū)或附近，屬于穿晶裂紋。

三、分析與討論

 此案例的不銹鋼應力腐蝕不能簡單地歸咎于某一方面的原因，在設備設計過程中還應該考慮其各方面的因素，如水質(zhì)、溫度、設備結(jié)構(gòu)等。此案例中用不銹鋼制成換熱器，一邊通水、一邊通油，由于介質(zhì)和溫度不同，經(jīng)過長期的冷熱交換，應力比較大。設計時肯定考慮過水質(zhì)的影響，但是不能單純以對腐蝕介質(zhì)的限定含量或介質(zhì)純凈度的要求來替代對SCC的全面控制，而忽略了溫度、結(jié)構(gòu)、應力、使用一定時期內(nèi)介質(zhì)的變化等等因素。

 奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂主要是介質(zhì)與應力的合力，最主要的介質(zhì)為氯離子和介質(zhì)中的總鹽量;應力腐蝕裂紋多發(fā)生在不銹鋼的焊接區(qū)域，因為此區(qū)域的應力大(有焊接殘余應力)，在一定的介質(zhì)環(huán)境下容易出現(xiàn)應力腐蝕裂紋。例如，304不銹鋼管焊接成冷凝設備(內(nèi)接冷凝管)時就出現(xiàn)了應力腐蝕裂紋，如圖所示，裂紋發(fā)生在焊縫附近，裂紋呈樹枝狀，如圖所示。因此，對于不銹鋼設備在介質(zhì)中使用，一定要考慮介質(zhì)和應力對不銹鋼的影響，不能在質(zhì)量濃度超標的介質(zhì)中使用，對于應力較大的設備應經(jīng)過應力退火處理，特別是不銹鋼焊接設備。

四、結(jié)語

 1. 通過對304不銹鋼管裂紋處金相分析，發(fā)現(xiàn)不銹鋼發(fā)生了應力腐蝕，從而導致了產(chǎn)品的開裂，開裂處裂紋呈“干樹枝”狀;

 2. 通過對水質(zhì)的分析以及結(jié)合現(xiàn)場使用環(huán)境，結(jié)果表明在高溫下水質(zhì)中的氯離子質(zhì)量濃度和水質(zhì)的總硬度超標是導致此次產(chǎn)品發(fā)生應力腐蝕開裂的主要原因。