2205 雙相不銹鋼換熱器管板開裂分析與思考

孫 濱

(蘭州金峰包裝制品有限公司，甘肅 蘭州 730060)

雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)，與鐵素體不銹鋼相比，其塑性、韌性更高，無(wú)室溫脆性，且焊接性能顯著提高，但是也保持了鐵素體不銹鋼的475 ℃脆性。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能大幅度提高。2205 雙相不銹鋼是所有雙相不銹鋼中應(yīng)用最多的鋼種，在石化行業(yè)也得到廣泛的應(yīng)用。某煉油廠蒸餾裝置常壓塔頂循換熱器采用2205 雙相不銹鋼制造，使用一周期(3 年)發(fā)現(xiàn)管板出現(xiàn)大量細(xì)小裂紋。文章就此問(wèn)題展開分析討論，找出開裂原因和預(yù)防措施。

1 開裂情況

該換熱器是常壓塔頂循第1 級(jí)換熱器，管程介質(zhì)是頂循油，壓力0.92 MPa，入口溫度138 ℃，出口溫度119 ℃;殼程介質(zhì)是原油，壓力2.5 MPa，入口溫度60 ℃，出口溫度97 ℃。換熱器打開經(jīng)沖洗后，宏觀上看表面干凈整潔(見(jiàn)圖1)，放大觀察可發(fā)現(xiàn)管板上存在很多細(xì)小裂紋，其放大50 倍照片見(jiàn)圖2。所有裂紋均處在管板母材上，焊接部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。

2 理化檢查

2.1 元素、鐵素體與硬度測(cè)試

采用NITON XLT XRF 合金光譜儀對(duì)換熱器管板合金元素測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 數(shù)據(jù)可看出，材料主要成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 換熱器沖洗后形貌

圖2 管板上的細(xì)小裂紋50 ×

表1 換熱器管板合金元素測(cè)定結(jié)果 w，%

采用FERITSCOPE FMP30 鐵素體測(cè)量?jī)x與TH-160 里氏硬度計(jì)測(cè)試鐵素體含量及硬度，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 看出，母材鐵素體含量偏低，焊縫正常;開裂部位硬度偏高。

表2 鐵素體含量及硬度測(cè)定結(jié)果

2.2 金相檢查

圖3 是開裂部位的金相照片。由圖3a、圖3b可以看出:管板材料組織是奧氏體+鐵素體，同時(shí)注意到，管板材料經(jīng)過(guò)軋制處理，鐵素體被拉長(zhǎng)，沿軋制方向?qū)訝罘植?裂紋在材料內(nèi)部擴(kuò)展，呈樹枝狀，沿晶、穿晶皆有;金相照片上出現(xiàn)白色亮點(diǎn)，應(yīng)是有新相析出。

3 分析與討論

3.1 介質(zhì)因素

該換熱器管程介質(zhì)為頂循油。經(jīng)過(guò)電脫鹽裝置后原油中的鹽類仍有殘余，在一定條件下水解會(huì)生成HCl，在常壓塔頂部聚集。在頂循油中同時(shí)含有少量的HCl 和少量的水蒸汽，經(jīng)過(guò)頂循泵的加壓以及換熱器的冷卻可在局部生成鹽酸，腐蝕性很強(qiáng)。檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在頂循油抽出泵出口第一個(gè)彎頭有氯化銨沉積。因此該換熱器的腐蝕主要是氯離子引起的。

3.2 材質(zhì)因素

2205 雙相不銹鋼的耐蝕性能與其組織中奧氏體、鐵素體的比例以及析出相關(guān)系密切，一般而言，奧氏體與鐵素體的比例為1∶1(50%∶50%)且沒(méi)有析出相時(shí)耐蝕性能最佳，該案例中2205 雙相不銹鋼母材中鐵素體體積分?jǐn)?shù)僅為40%左右，且有析出相，因此其耐蝕性能較差，遇到富含氯離子的介質(zhì)，導(dǎo)致發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

3.3 使用2205 雙相不銹鋼的思考

2205 雙相不銹鋼的耐蝕性能在奧氏體與鐵素體的比例為1∶1(50%∶50%)且沒(méi)有析出相時(shí)最佳。2205 雙相不銹鋼在成分合格的情況下，組織中的奧氏體與鐵素體的比例主要由其固溶處理溫度決定。研究表明:在固溶處理時(shí)，隨著固溶溫度升高，2205 雙相不銹鋼組織內(nèi)的鐵素體含量逐漸增加;固溶處理后，溫度低于800 ℃的熱處理對(duì)雙相不銹鋼組織中的奧氏體與鐵素體的比例基本不產(chǎn)生影響［1-2］。該案例中換熱器管板采用2205 +碳鋼復(fù)合制造，2205 復(fù)合層成分合格，因此可認(rèn)定該2205 原材料固溶處理溫度不合適，導(dǎo)致鐵素體在組織中的比例偏低。所以建議使用2205 雙相不銹鋼制作設(shè)備時(shí)，應(yīng)具有嚴(yán)格的檢驗(yàn)制度，避免具有缺陷的材料在產(chǎn)品中使用。采用2205 雙相不銹鋼復(fù)合板是一個(gè)值得思考的問(wèn)題，由于爆炸復(fù)合后需要進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理［3］，相當(dāng)于對(duì)2205 雙相不銹鋼進(jìn)行時(shí)效處理，不可避免的導(dǎo)致σ 相析出，由于σ 相富含Cr 和Mo，且脆性很大，對(duì)2205 雙相不銹鋼的耐蝕性帶來(lái)非常不利的影響［4-5］。案例中金相觀察發(fā)現(xiàn)有新相析出，同時(shí)硬度偏大，這應(yīng)是消除應(yīng)力退火處理導(dǎo)致的問(wèn)題。因此2205 雙相不銹鋼不建議使用復(fù)合板材料。

4 結(jié)論

(1)該換熱器2205 雙相不銹鋼管板開裂是由于組織中鐵素體含量偏低引起的氯化物應(yīng)力腐蝕開裂;

(2)使用2205 雙相不銹鋼應(yīng)具有嚴(yán)格的檢驗(yàn)制度，避免具有缺陷的材料在產(chǎn)品中使用。

(3)由于爆炸復(fù)合后需要進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理，相當(dāng)于對(duì)2205 雙相不銹鋼進(jìn)行時(shí)效處理，不可避免的導(dǎo)致σ 相析出，因此不建議使用2205雙相不銹鋼的復(fù)合板材料。

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