雙相不銹鋼管液壓脹管破裂原因分析

李 明，馬永存，陳惠鋒，盧煥明，李 勇

(中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 測試中心，浙江 寧波 315201)

0 引言

在石油、化工、電力等工業(yè)領(lǐng)域，換熱器作為一種常見壓力容器被廣泛使用［1］，換熱器結(jié)構(gòu)類型有很多，其中管殼式換熱器是最普遍使用的［2-4］。管殼式換熱器由殼體、傳熱管束、管板、折流板(擋板)和管箱等部件組成。殼體多為圓筒形，內(nèi)部裝有管束，管束兩端固定在管板上［5］。

在換熱器材料的選擇上，根據(jù)使用溫度及環(huán)境不同，可選用金屬、塑料、陶瓷等材料。但對于一些在高壓、強(qiáng)腐蝕等苛刻條件下運行的設(shè)備，國內(nèi)外多使用2205 型鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼材料，因其具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性、好的焊接性及卓越的耐Cl-腐蝕性能［6-8］。如采用成本相對較低的普通奧氏體不銹鋼，容易產(chǎn)生Cl-誘導(dǎo)的應(yīng)力腐蝕［9-11］，降低了換熱器的使用壽命。

換熱管與管板連接是管殼式換熱器設(shè)計、制造中最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是換熱器事故發(fā)生率最多的部位，所以換熱管與管板連接處理不好可能導(dǎo)致?lián)Q熱器提前失效［12］。換熱器失效輕則造成設(shè)備不能運行，重則造成生產(chǎn)停頓，甚至是人員傷亡［9］。

采用2205 雙相不銹鋼制作管殼式換熱器，在用脹管工藝實現(xiàn)管束與管板的連接時發(fā)換熱管管壁破裂。所用換熱管為無縫鋼管，且脹管前使用內(nèi)窺鏡檢查并沒有發(fā)現(xiàn)裂縫存在。本研究從針對脹管工藝后失效的換熱管，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜(EDS)以及電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)分析裂縫附近軸向及徑向的微觀組織結(jié)構(gòu)，確定2205 型雙相不銹鋼換熱管脹管破裂的原因，通過有針對性的控制來消除失效換熱器流入市場的安全隱患，避免經(jīng)濟(jì)損失。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

破裂換熱管為2205 雙相不銹鋼管，外徑20 mm，壁厚2 mm，管壁開裂。定義靠近裂紋端的不銹鋼管口為卷尺0 mm 位置，70～150 mm 處的長裂紋最為明顯(圖1)。宏觀上觀察裂紋并非直線型，而是螺旋型。用體式顯微鏡沿不銹鋼管檢查，發(fā)現(xiàn)換熱管0 mm 位置有小裂紋且未貫穿，650 mm位置仍可以看見微小的裂紋，且裂紋從0～650 mm 位置從未間斷，但僅在70～150 mm 位置裂紋貫穿管壁，其余位置為非貫穿性裂紋。

圖1 不銹鋼換熱管開裂照片F(xiàn)ig.1 Macrograph of duplex stainless steel tube

1.2 化學(xué)成分測試

根據(jù)ASME SA789M 標(biāo)準(zhǔn)檢測該管的化學(xué)成分，成分符合要求。

表1 2205 雙相不銹鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Compositions of 2205 duplex stainless steel (mass fraction/%)

1.3 斷口觀察

利用Zeiss EVO 18 型掃描電子顯微鏡對不銹鋼距離管口90 mm 處的斷口形貌進(jìn)行觀察，自上而下對應(yīng)不銹鋼管壁由外到內(nèi)(圖2a)?？梢娊咏鈧?cè)的斷口形貌明顯異于內(nèi)側(cè)，外側(cè)約365 μm厚度斷口較光滑，沒有明顯的特征，可能由于斷口外側(cè)表面大部分均已被氧化。而管壁的中部和內(nèi)側(cè)有明顯的韌窩，為韌性斷裂(圖2b)。

圖2 斷口微觀形貌Fig.2 Micro appearance of the fracture surface

1.4 金相檢查及相分析

在圖2 附近位置取樣，做鋼管徑向截面的金相分析，可見外壁裂紋邊緣區(qū)域為單相組織，且比較耐腐蝕，顏色發(fā)白，遠(yuǎn)離裂紋邊緣處組織正常，為雙相鋼組織(圖3a)。而裂紋中下部的鋼管內(nèi)壁均為正常鐵素體+奧氏體雙相組織，但晶粒有明顯的變形(圖3b)。

在遠(yuǎn)離貫穿性裂紋位置，距離管口400 mm處取樣，做鋼管的徑向和軸向金相檢測?？梢姴讳P鋼管徑向組織裂紋處的晶粒明顯較鋼管遠(yuǎn)離裂紋端的正常晶粒粗大，裂紋處的晶粒大小約為10～40 μm，而正常的晶粒大小約為5～20 μm，且大小均勻(圖4a)。由不銹鋼管的軸向金相組織可以看到裂紋附近為等軸晶形貌，遠(yuǎn)離裂紋的正常組織為沿著管軸向的長條狀鐵素體與奧氏體組織(圖4b)。

圖3 雙相不銹鋼徑向金相組織Fig.3 Radial cross section microstructure of duplex stainless steel tube

圖4 雙相不銹鋼徑向和軸向金相組織Fig.4 Radial and axial cross section microstructure of duplex stainless steel tube

利用牛津AZtec HKL Max 型EBSD 對圖4b所示區(qū)域做晶粒取向和相組成分析，結(jié)果與金相組織分析一致，裂縫附近為粗大等軸晶粒，遠(yuǎn)離裂縫為條狀細(xì)小晶粒，不同的顏色代表不同的歐拉角取向(圖5a)。相分布圖中，紅色區(qū)域代表fcc的奧氏體組織，藍(lán)色區(qū)域代表體bcc 的鐵素體組織，黑色區(qū)域代表零解析的位置，主要位于晶界和裂紋附近(圖5b)?？梢悦黠@看出，裂紋附近約100 μm 寬的帶狀區(qū)域基本為奧氏體單相組織，且正好為晶粒粗大區(qū)域。根據(jù)統(tǒng)計，圖5b 所示區(qū)域內(nèi)的奧氏體含量為80.8%，鐵素體含量為11.6%(體積分?jǐn)?shù))。而本研究中所用正常的2205 雙相鋼的兩相組織比例接近1∶1(體積比)。

1.5 微觀形貌及能譜分析

利用Zeiss AURIGA 型雙束SEM，配備80 mm2能譜探測器，對距管口400 mm 裂紋附近進(jìn)行微觀分析。為了提高能譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，未對試樣進(jìn)行腐蝕，而是精細(xì)拋光后拍攝電子通道襯度像(Electron Channeling Contrast Image，ECCI)，ECCI 反映材料表面的晶體取向，幫助進(jìn)行能譜分析區(qū)域的定位(圖6a)。選取距裂紋不同距離的5個長方形區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，隨著所選區(qū)域遠(yuǎn)離裂紋，N 元素含量逐漸遞減，并在細(xì)晶的雙相組織區(qū)域達(dá)到穩(wěn)定，即距離裂紋250 μm 和350 μm 處的N 元素含量相當(dāng)(圖6b)。其他主要元素在5 個區(qū)域中含量較為均勻(表2)，S、P 等微量元素較N 元素含量還低一個數(shù)量級，因此無法檢出。

利用FEI Quanta 250 FEG 型SEM 對此區(qū)域的裂紋進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)許多裂紋內(nèi)有一些片狀析出物(圖7)，對其進(jìn)行EDS 的元素半定量分析，得到元素含量分布列表。圖示位置Cr 含量高于正常值約1 倍(表3)。

圖5 鋼管裂縫處軸向組織的EBSD 分析Fig.5 EBSD analysis of tube axial surface

圖6 鋼管裂縫處軸向組織的通道襯度像及EDS 分析Fig.6 ECCI of tube axial surface and EDS analysis

表2 X 射線能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Energy dispersive spectrum analysis results (mass fraction/%)

表3 X 射線能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 3 Energy dispersive spectrum analysis results (mass fraction/%)

2 分析與討論

此雙相不銹鋼管插入管板后，通過貼脹式液壓脹管工藝與管板貼合，脹管區(qū)域恰為貫穿性裂紋發(fā)生區(qū)域，受到管板的約束作用，遠(yuǎn)離脹管區(qū)域有裂紋但未能完全破裂開。通過對該不銹鋼管做成分分析，均在正常范圍之內(nèi)。

從斷口分析來看，距離不銹鋼管外壁約365 μm 區(qū)域斷口形貌比較光滑，可能是時間較長氧化所致，未見明顯的斷裂特征。而距離管外表面大于365 μm 區(qū)域有明顯韌窩，為韌性斷裂，管壁內(nèi)側(cè)韌窩的方向一致向下，為脹管撕裂所致。從不銹鋼的斷口組織可以推斷，外側(cè)管壁日久氧化為先開裂的區(qū)域，而中部和內(nèi)側(cè)為后斷裂區(qū)域。

從金相組織及相分析的結(jié)果來看，表面裂紋附近的組織異常。一方面裂紋處的晶粒粗大，并且未隨著鋼管生產(chǎn)過程中的冷軋工藝變成長條狀，另一方面，根據(jù)EBSD 的結(jié)果可知其裂紋附近基本為單相的奧氏體組織，而正常的雙相鋼組織鐵素體和奧氏體是均勻分布的。從貫穿性斷裂的徑向金相組織來看，靠內(nèi)壁部分雖然晶粒受到拉伸作用明顯變形，但可看出其為正常的雙相組織。由此可見不銹鋼裂紋源位于表面奧氏體帶狀區(qū)域，管壁中部和內(nèi)側(cè)由于組織正常有良好的塑性，在脹管受力時屈服變形，最終斷裂。

圖7 鋼管裂縫處的微觀形貌及能譜分析Fig.7 Micro appearance and EDS analysis in the crack

從SEM 及EDS 的分析結(jié)果來看，裂紋貫穿帶狀粗大奧氏體晶區(qū)。EDS 半定量結(jié)果表明，裂紋附近的粗大奧氏體區(qū)域N 元素的含量較高，為0.45%，而在雙相區(qū)N 元素的含量為0.19%，過渡區(qū)域中N 元素含量呈遞減趨勢。其他元素含量在各區(qū)域內(nèi)變化較小。在雙相不銹鋼中，N 是強(qiáng)烈奧氏體化元素，奧氏體化作用是Ni 的30 倍，隨著N 含量增加，鐵素體體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，奧氏體體積分?jǐn)?shù)逐漸增多，且尺寸增大，奧氏體形貌從長條狀變成了近球形狀［13-15］。裂紋附近粗大的奧氏體帶狀區(qū)的塑性和強(qiáng)度較之正常雙相鋼組織差，晶界有富Cr 的硬脆相生成必然使得材料的塑性和強(qiáng)度進(jìn)一步惡化，使得在不銹鋼管冷加工過程中出現(xiàn)微裂紋。

綜上所述，未脹管之前此不銹鋼管可能在冶煉和鑄造過程中由于微區(qū)成分不均勻而形成了粗大晶粒的奧氏體單相帶狀區(qū)，并存在硬脆的富Cr片狀物析出，因此鋼管表面異常組織區(qū)域塑性很差，在鋼管加工過程中鋼管表面受力導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。由于異常組織僅在鋼管表面奧氏體帶向下約365 μm 厚的區(qū)域，此區(qū)域下方為正常組織，塑性較好，使得不銹鋼管冷加工處理完成后并未形成貫穿性的裂紋。而換熱器制造廠在使用此鋼管制作換熱器時，液壓脹管工藝使得原本均勻受力不銹鋼管在微裂紋尖端應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼管破裂。

通過鋼管破裂原因分析，確認(rèn)是鋼管材料本身的原因?qū)е旅浌芄に囘^程中破裂。因此，生產(chǎn)企業(yè)通過滲透檢測表面微裂紋，可提前消除部分隱患。此外，企業(yè)在脹管連接工藝后，還利用內(nèi)窺鏡再進(jìn)行檢查，并通過高于使用壓力的水壓試驗進(jìn)行可靠性試驗，避免失效換熱器流入市場而導(dǎo)致的安全和經(jīng)濟(jì)問題。

3 結(jié)論

1)雙相不銹鋼管在脹管前已存在微裂紋。脹管時裂紋尖端應(yīng)力集中，超出材料的抗拉強(qiáng)度而破裂。

2)雙相不銹鋼管由于N 元素偏析形成粗大奧氏體帶狀區(qū)，并在晶界處有片狀富Cr 相析出，使得鋼管局部塑性變差，導(dǎo)致鋼管在加工過程中產(chǎn)生微裂紋。

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