凝汽器和給水加熱器用不銹鋼焊管制造質(zhì)量控制細(xì)探（下）
——兼評(píng)“某國(guó)產(chǎn)凝汽器不銹鋼焊管耐點(diǎn)蝕性的研究”一文之不足及補(bǔ)正

何德孚， 王晶瀅,2

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限責(zé)任公司，上海 200135；

2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313105）

凝汽器和給水加熱器用不銹鋼焊管制造質(zhì)量控制細(xì)探（下）
——兼評(píng)“某國(guó)產(chǎn)凝汽器不銹鋼焊管耐點(diǎn)蝕性的研究”一文之不足及補(bǔ)正

何德孚1， 王晶瀅1,2

（1.上海久立工貿(mào)發(fā)展有限責(zé)任公司，上海 200135；

2.浙江德傳管業(yè)有限公司，浙江 湖州313105）

凝汽器和給水加熱器是超超臨界電站設(shè)備中可采用不銹鋼焊管制造的部件。國(guó)內(nèi)雖早已具備此類高檔次不銹鋼焊管的生產(chǎn)條件，但至今仍難以達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)要求而進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)合小直徑連續(xù)不銹鋼焊管生產(chǎn)現(xiàn)狀探討了此類焊管制造質(zhì)量控制要素。介紹了兩個(gè)冷凝器失效案例，借以指明此類換熱器失效泄漏的原因，指出304鋼管并非此類應(yīng)用的理想選擇，并討論了不銹鋼焊管制造標(biāo)準(zhǔn)等細(xì)節(jié)。

不銹鋼焊管；給水加熱器；凝汽器；固溶退火熱處理；泄漏；應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）

3 高端不銹鋼焊管制造必須重視的幾個(gè)質(zhì)量問(wèn)題

8年前上海某廠也發(fā)生過(guò)國(guó)產(chǎn)給水加熱器用304鋼管在整體水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏的事例。后查明系焊管出廠漏檢所致。同時(shí)不銹鋼管制造廠為進(jìn)入國(guó)際給水加熱器用不銹鋼焊管市場(chǎng)，曾送1根16 mm×0.8 mm的304鋼U形管請(qǐng)國(guó)外某權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行鑒定（實(shí)為國(guó)際投標(biāo)所要求的工程材料評(píng)估），結(jié)果被指存在以下4個(gè)方面的問(wèn)題。

3.1 材料的化學(xué)成分勉強(qiáng)合格

含P量接近上限及含Ni接近下限是該外鑒報(bào)告明確指出的第一個(gè)問(wèn)題。目前我國(guó)和美國(guó)等許多國(guó)家都規(guī)定304鋼的w（S）和w（P）上限為0.03%和0.04%；而w（Ni）的下限為8.0%。只有歐標(biāo)EN10217-7中明確注明焊管的w（S）≤0.015%，w（P）≤0.030%，同時(shí)w（S+P）≤0.040%。這實(shí)際上是對(duì)焊管用板材的特殊要求，早期沒(méi)有引起國(guó)內(nèi)鋼材和鋼管制造廠商的足夠重視，經(jīng)常有w（P）≥0.03%，而w（S+P）≥0.04%的現(xiàn)象。但是Ni含量因涉及原料成本，市場(chǎng)供應(yīng)板材幾乎都無(wú)一例外地接近下限，對(duì)于冷凝器給水加熱器用管來(lái)說(shuō)可能會(huì)造成強(qiáng)度和硬度偏高，塑性稍差，容易冷加工硬化，這些對(duì)脹管十分不利。因此，對(duì)這類高端用管適當(dāng)提高Ni含量是必須的，提高訂價(jià)對(duì)用戶和鋼材制造廠都是可以接受的。

3.2 焊縫成形不良和錯(cuò)邊

焊縫成形不良和錯(cuò)邊，這是外鑒報(bào)告中明確提出的另一個(gè)問(wèn)題，并指出“雖錯(cuò)邊在公差允許范圍之內(nèi)，冷彎也合格，但內(nèi)表面不規(guī)律會(huì)影響脹管，而原因是生產(chǎn)速度不當(dāng)或操作時(shí)未注意保持精確對(duì)中造成的”。實(shí)際這是涉及焊縫合理成形和性能控制的復(fù)雜問(wèn)題：

（1）帶材精確的備料精度（包括切口直度、粗糙度和寬度公差），成型輥型設(shè)計(jì)和保障閉口處及焊接點(diǎn)有足夠的圓度，特別是不發(fā)生錯(cuò)邊和接口左右漂移。剪帶機(jī)、成型輥運(yùn)行中磨損或松動(dòng)都可能增加誤差。

（2）電弧本質(zhì)上是極容易受干擾而發(fā)生漂移的柔性導(dǎo)電氣體，鎢棒燒損或焊縫表面沾污物的分解都可能使電弧相對(duì)于接口中心位置產(chǎn)生波動(dòng)，而且這是操作者難以觀察到，也難以自動(dòng)檢測(cè)的難題，許多研究尚未注意到這一點(diǎn)[7]。

（3）焊接電流越大，鎢棒端部燒損越快，電弧穩(wěn)定性和挺直度越容易變差。因此，必須根據(jù)所采用的鎢棒滲雜類型和直徑限定電流，即限定焊速。

（4）焊接參數(shù)的選擇應(yīng)考慮合適的焊縫熔寬/熔深比值，避免出現(xiàn)焊縫成形缺陷或不連續(xù)性。芬蘭學(xué)者1980年進(jìn)行的系統(tǒng)研究表明：電流過(guò)大或焊速過(guò)快是產(chǎn)生焊縫中心毛孔縮小和裂紋的根本原因。文獻(xiàn)[10－13]曾對(duì)此有深入的研究。其要點(diǎn)是：①高電流、高焊速的單弧或多極GTAW奧氏體不銹鋼焊縫都極易在其焊縫中心線附近產(chǎn)生偏析，并形成細(xì)小的（10 μm級(jí)）裂紋、縮孔或兩者的組合（開裂的縮孔）（如圖2所示）。母材的[Creq]/[Nieq]及S和P等雜質(zhì)含量大小是決定是否有這些不連續(xù)性或缺陷（即其尺度、數(shù)量和分布）的首要因素。②304，304N，316，316L，317和321等鋼種都可能在單弧GTAW焊縫中產(chǎn)生這些不連續(xù)性。電流越大，焊速愈高，出現(xiàn)裂紋和縮孔的可能性都會(huì)增加（如圖3所示）。對(duì)于特定鋼種只有在較低焊速和較低的電流條件下，加上S+P的含量嚴(yán)格限定，才能保證焊縫中不出現(xiàn)不連續(xù)性。還要注意焊速不高而電流過(guò)大時(shí)特別容易出現(xiàn)更細(xì)小的波紋縮孔（見圖 2（d））?？梢姡附与娏髦挥懈杆倥渲檬智‘?dāng)，且在一個(gè)很小區(qū)域內(nèi)才能保證全焊透且無(wú)任何瑕疵的致密焊縫。如果母材的w（S）＞0.015%，或者w（S+P）＞0.040%，則焊速即使低至0.1 m/min，焊縫中仍可能出現(xiàn)中心線縮孔。歐標(biāo)中對(duì)焊管母材S和P的含量限定就是由此而來(lái)的。但文獻(xiàn)[11]指出w（S+P）＜0.030%，w（S）＜0.003%是高速多陰極GTAW焊縫更為理想的要求。③文獻(xiàn)[1－13]中只有文獻(xiàn)[8]的題目稱之為缺陷（defects），其余均稱之為不連續(xù)性（discontinuities），說(shuō)明微小或極少量此類微裂紋、微縮孔可能是難免或允許的。但是對(duì)凝汽器和給水加熱器這類高端應(yīng)用，則對(duì)此必須嚴(yán)加控制。④文獻(xiàn)[10]中給出的焊縫橫截面大多具有頂寬底窄的特征，這不僅有利于減少上述結(jié)晶不連續(xù)性，即使出現(xiàn)也將暴露在焊縫表面；同時(shí)如文獻(xiàn)[10]所指出的多極GTAW，只有采用Ar+(15%～17%)H2作正面保護(hù)氣才能保證高焊速而不出現(xiàn)中心線裂紋，并因橫截面積減小而減少縮孔，還可避免采用大電流而促生咬邊，并能確保根部焊透（見表5）。⑤電弧長(zhǎng)度或電弧電壓也是促成頂寬底窄焊縫成形的必要條件。文獻(xiàn)[10－13]均指明弧長(zhǎng)為2 mm（單弧焊）或1 mm（多極焊）。

圖3 壁厚為2 mm 316L不銹鋼GTAW焊縫缺陷/瑕疵與焊接參數(shù)測(cè)定實(shí)例

表5 保護(hù)氣體成分對(duì)316L單弧或多極GTAW焊縫成形的影響（t=1.5 mm）

表 5中焊縫成形呈現(xiàn)熔寬（正面）＞熔深（板厚），均不易出現(xiàn)所指不連續(xù)性或缺陷。如果焊縫熔寬＜板厚，即呈現(xiàn)圖4所示焊縫，則很可能在焊縫內(nèi)部出現(xiàn)不連續(xù)性。因此，為了應(yīng)對(duì)母材低含S量帶來(lái)的GTAW焊縫熔深易變性，文獻(xiàn)中提出的采用低電壓?jiǎn)位TAW或Ar+5%H2多極GTAW可能并不適合此類高端焊管，但與國(guó)際上明確提倡的GTAW熔深穩(wěn)定所要求的w（P）＞0.01%相矛盾，如何克服這些問(wèn)題需進(jìn)一步探討[12－14]。

圖4 過(guò)窄、拋磨過(guò)的焊縫成形[6]

（5）文獻(xiàn)[10]曾指出背面保護(hù)氣及正面尾部保護(hù)氣類型對(duì)焊縫成形沒(méi)有影響。但近期已有許多研究指明背面凈化氣（purging gas，這是一個(gè)取代保護(hù)氣的新概念，也很重要）其含氧量＞0.1%，即可能對(duì)焊縫金屬伸長(zhǎng)率有明顯影響[14－19]。并提出對(duì) 304和 316鋼種也可采用 N2+10%H2（采用含H2保護(hù)或凈化氣必須注意防止H2在車間頂部不通風(fēng)死角積聚爆燃火情）或100%N2為背面凈化氣，既可降低成本，又利于提高焊縫金屬奧氏體含量，從而確保其塑性。

（6）文獻(xiàn)[6]指出不能用磨削方法獲得高端不銹鋼焊管的表面光潔度和圓整度。圖4所示焊縫可能是因?yàn)榇嬖谝н叾鰭伳サ?，結(jié)果造成局部壁厚缺損又無(wú)法檢測(cè)出，這種用于生產(chǎn)裝飾不銹鋼焊管的方法是高檔次焊管所不允許的。

以上說(shuō)明要獲得高檔次焊管所需的焊縫成形并不容易。文獻(xiàn)[8]明確注明采用目測(cè)、光學(xué)立體顯微鏡和X射線照相方法進(jìn)行焊縫不連續(xù)性檢驗(yàn)。其中X射線照相參數(shù)是：管電壓90 kV，電流5 mA，曝光時(shí)間15～21 min。采用較低管電壓和足夠長(zhǎng)的曝光時(shí)間就可能用X射線照相顯示細(xì)微不連續(xù)性，而并非是無(wú)缺陷或瑕疵及無(wú)法確認(rèn)的“衍射斑紋”[18]。但如此長(zhǎng)的曝光時(shí)間是產(chǎn)品檢驗(yàn)無(wú)法承受的。提高管電壓可縮短曝光時(shí)間，又必然會(huì)降低RT的靈敏度，造成許多大的瑕疵無(wú)法檢出。這可能就是SA249/SA249M和A249/A249M，SA688/SA688M和A688/A688M，法國(guó)RCC-M3319，德國(guó)原DIN17457-1985及日本JISG3463標(biāo)準(zhǔn)均未列入RT檢驗(yàn)的一個(gè)原因。還要注意，SA249/ SA249M/A249/A249M中只要求深冷加工焊管在冷加工前作射線檢測(cè)，如果放在產(chǎn)品最終檢測(cè)則是無(wú)用的。

3.3 焊縫金屬中偏析和熱影響區(qū)敏化（碳化物析出）

關(guān)于焊縫金屬中偏析和熱影響區(qū)敏化（碳化物析出）問(wèn)題，在該項(xiàng)外鑒中提得較模糊，實(shí)質(zhì)是對(duì)固溶處理質(zhì)量持有懷疑。此類焊管通常采用在線光亮固溶退火，受光亮處理感應(yīng)加熱區(qū)長(zhǎng)度限定，如果其恒溫區(qū)長(zhǎng)度為3 m，對(duì)t=0.8 mm焊管，焊速超過(guò) 3 m/min，就不能保障高溫足夠停留時(shí)間[19]。只有把焊速降下來(lái)或采用離線固溶熱處理才能解決此類問(wèn)題，但也需要細(xì)致研究。

3.4 殘余應(yīng)力過(guò)大

送檢樣品被檢出環(huán)向、縱向殘余應(yīng)力分別為86.5 MPa及78.5 MPa，并指出原因很可能是矯直方法不恰當(dāng)所致。顯然這是一個(gè)值得特別關(guān)注的嚴(yán)重問(wèn)題，需作深入探討。

（1）ASTMA249/A249M在附加要求S3中“包括U形管在內(nèi)的非矯直管抗拉強(qiáng)度可比矯直管降低5%”；ASTM B163則在S4中規(guī)定非矯直的U形管可在機(jī)器矯直前做拉伸試驗(yàn)。原因是矯直工序可因冷作硬化提高強(qiáng)度。但 ASME SA249/SA249M及SB163中卻都刪除了上述附加要求。除此之外，ASTM和ASME這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)基本沒(méi)有區(qū)別。值得指出的是，筆者見到許多304，304L及316L等國(guó)產(chǎn)焊管質(zhì)保書的強(qiáng)度數(shù)值都遠(yuǎn)高于ASTM或ASME不銹鋼管標(biāo)準(zhǔn)所要求的最低值（見表6和表7），這是因?yàn)锳STM或ASME認(rèn)識(shí)到固溶處理后再做機(jī)器矯直會(huì)使強(qiáng)度提高，剩余塑性降低，因此，耐蝕性、特別是耐SCC性能明顯降低，對(duì)高檔凝汽器的應(yīng)用是不利的。實(shí)際上A249/A249M和SA249/SA249M的S1中還規(guī)定應(yīng)力消除退火后不得做機(jī)器矯直（S3，S4及S1只有用戶在合同中指明時(shí)，制造廠才會(huì)執(zhí)行），奇怪的是 A688/A688M和 SA688/SA688M，A803/A803M和SA803/SA803M中卻都沒(méi)有類似的規(guī)定或附加要求，但所涉外鑒報(bào)告卻特別指明這一點(diǎn)，其中原因引人深思。

特別值得注意的是，包括許多設(shè)計(jì)人員在內(nèi)的專業(yè)人士都誤以為不銹鋼管的強(qiáng)度值越高越好，這可能跟國(guó)標(biāo)及ASTM/ASME標(biāo)準(zhǔn)中都只規(guī)定強(qiáng)度下限有關(guān)。但歐標(biāo)則同時(shí)設(shè)定了上限，按照歐標(biāo)，表7中許多產(chǎn)品的力學(xué)性能都不符合要求。

表6 304和316不銹鋼管力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求

表7 304和316不銹鋼管產(chǎn)品力學(xué)性能①

（2）許多焊管制造廠的產(chǎn)品樣本中標(biāo)明生產(chǎn)流程圖，都把在線固溶處理或光亮退火放在矯直整圓區(qū)段之前。這類從境外或臺(tái)灣引入的機(jī)組顯然并不適合生產(chǎn)高檔次凝汽器之類焊管，或者說(shuō)應(yīng)把定徑及矯直區(qū)段空置或部分前移，文獻(xiàn)[6]中所介紹的生產(chǎn)流程就是這樣的。

（3）成型機(jī)組系統(tǒng)或輥型設(shè)計(jì)不合理，或使用年久磨損嚴(yán)重又調(diào)整不當(dāng)。設(shè)計(jì)和調(diào)整精良的機(jī)組，經(jīng)過(guò)在線固溶處理，即完全消除冷成形和焊接殘余應(yīng)力以后，不做機(jī)器矯直和整圓就應(yīng)能保持所要求的直度和圓度。若再做拉伸或彎曲機(jī)器矯直，必然帶來(lái)新的殘余應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)焊管下線時(shí)就可發(fā)現(xiàn)橫向開裂。

（4）外鑒報(bào)告并未注明殘余應(yīng)力測(cè)定方法，但從文獻(xiàn)中可以查到，殘余應(yīng)力測(cè)定研究最多的是 X射線衍射法[20－21]， 國(guó)內(nèi)雖然也做過(guò)基礎(chǔ)研究，甚至27年前就建立了GB 7704―1987標(biāo)準(zhǔn)，但工業(yè)應(yīng)用很少報(bào)導(dǎo)[22]。這需要專業(yè)研究機(jī)構(gòu)或高校的密切合作，共同努力才能達(dá)到。值得探討的是：①殘余應(yīng)力X射線衍射測(cè)定的精度或可靠性如何保障或驗(yàn)證，筆者注意到美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAE）是最先制定X射線衍射測(cè)定殘余應(yīng)力方法標(biāo)準(zhǔn)并幾經(jīng)改版的[23]，但至今對(duì)此尚無(wú)確切規(guī)定，只是在該文件最后以25%篇幅（20頁(yè)）詳細(xì)討論其測(cè)量精度和重視性，會(huì)受到衍射線峰值高度獲得方法、點(diǎn)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)方法、樣品表皮剝離層、晶粒大小及堆垛缺陷、孿晶及表面形貌、應(yīng)力分析計(jì)算系數(shù)等諸多因素影響。歐洲的EN-15305：2008則指出，材料微觀組織和化學(xué)均勻、衍射參數(shù)選擇及力學(xué)模型（雙軸，多軸或各向異性）假定都是產(chǎn)生誤差的根源。ASTM至今無(wú)完整的X射線衍射檢測(cè)殘余應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，僅在E915-10，E1426-98（R2009）等標(biāo)準(zhǔn)中提出了儀器核定準(zhǔn)直線（alignment）和有效彈性系數(shù)測(cè)定方法。以上都說(shuō)明該方法的應(yīng)用并不是一件容易的事，外鑒報(bào)告的數(shù)據(jù)值得推敲或復(fù)驗(yàn)。②除了矯直和整圓還有其他因素，例如固溶退火或U形彎管段的除應(yīng)力退火是否不到位或不完全到位，特別是后者并不能完全消除殘余應(yīng)力，因此還有一個(gè)允許殘余應(yīng)力測(cè)試值和測(cè)試部位的問(wèn)題。③SCC敏感性是材質(zhì)、環(huán)境和應(yīng)力3個(gè)因素決定的，在給水加熱器的應(yīng)用環(huán)境和304鋼管的條件下，SCC的敏感性比較高（見表8[5]），只有排除殘余應(yīng)力，才能使其安全運(yùn)行。這可能就是SA688/SA688M，SA803/SA803M中均未列入SCC試驗(yàn)，而上述外鑒報(bào)告只測(cè)定殘余應(yīng)力的原因。

表8 給水加熱器管材的腐蝕種類及敏感性②比較①

4 304或304L并非凝汽器用管理想選材

雖然美、歐標(biāo)準(zhǔn)均把304和304L鋼列為凝汽器管可選用鋼管，但美、英早在1960年就已發(fā)現(xiàn)304和316鋼焊管在淡水、河口海水凝汽器應(yīng)用中因孔蝕而失效的案例，據(jù)此分別限定水中所含氯化物含量低于0.007%（304鋼管）或0.02%（316鋼管）方可采用[24]。河水、湖水等自然淡水只有達(dá)到這一條件，或者經(jīng)過(guò)凈化處理達(dá)到該項(xiàng)條件才可用作304或316鋼管所制成凝汽器的冷卻水。

國(guó)際公認(rèn)的不銹鋼抗孔蝕當(dāng)量指數(shù)PREN計(jì)算公式為

式中：Cr%，Mo%和N%分別為奧氏體不銹鋼中Cr，Mo和N的含量；304/304L和316/316L的PREN值分別為19和26。

因此，可以認(rèn)為：

（1）歐洲早在1990年初就已明確指出，僅從抗孔蝕性能看，304/304L不宜作為熱交換器用管選材[25]。一些鋼廠，其中包括太鋼曾在其產(chǎn)品樣本中標(biāo)明這一點(diǎn)是恰當(dāng)?shù)奶崾尽?/p>

（2）文獻(xiàn)[1]中以德國(guó)產(chǎn)304鋼Mo含量略高于國(guó)產(chǎn)304L鋼就斷言是耐孔蝕性好的主要原因亦存偏頗，至少還應(yīng)顧及含N量的實(shí)際差異，因?yàn)閹缀跛懈鲊?guó)的標(biāo)準(zhǔn)中Mo含量都只是304/ 304L鋼的非規(guī)定元素，而N卻不一樣，在美、歐標(biāo)準(zhǔn)中N早已是規(guī)定元素，且其對(duì)PREN的影響遠(yuǎn)大于Mo。

（3）304鋼是最低價(jià)的Cr-Ni奧氏體鋼種，所以一些用戶仍在選用。但從實(shí)際使用壽命并計(jì)入水處理費(fèi)用考慮，有效壽命成本并不很低，這也是國(guó)際上發(fā)展或優(yōu)選超級(jí)奧氏體、超級(jí)鐵素體鋼管的根本出發(fā)點(diǎn)。

（4）如果考慮SCC，304/304L鋼管的敏感性也最高，不宜作為凝汽器這類高檔熱交換器用管選材。

（5）文獻(xiàn)[1]的分析還指出國(guó)產(chǎn)304L焊管母材w（P）高達(dá)0.042%，這是耐孔蝕性差的另一原因。這雖然有一定道理，但筆者注意到該樣品的w（P）+w（S）=0.042%+0.004%=0.046%，已大于歐標(biāo)中規(guī)定的焊管用板材上限0.040%；如果采用高速或多電極焊，要求 w（S+P)≤0.03%[11]，否則可能造成焊縫中存在嚴(yán)重偏析，出現(xiàn)縮孔、裂紋甚至中心線裂縫，用于凝汽器在脹管部位產(chǎn)生泄漏的危險(xiǎn)性很高，遺憾的是文獻(xiàn)[1]并未指明灌水試驗(yàn)時(shí)發(fā)生泄漏的具體部位。

5 國(guó)外的兩個(gè)案例分析

筆者所閱資料中至今未發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)中電站凝汽器和給水加熱器失效案例的詳細(xì)分析，只找到下列兩個(gè)化工廠類似冷凝器的案例分析[26－30]，頗受啟發(fā)。

5.1 石化工程酒精過(guò)熱器的失效案例

文獻(xiàn)[26]中所稱酒精過(guò)熱器（alcohol superheater）是一板管立式熱交換器，用195根φ19 mm× 2.77 mm×2 500 mm規(guī)格ASTM A213/A213M標(biāo)準(zhǔn)304鋼管和304管板制成。用來(lái)把從底部進(jìn)入管內(nèi)的115℃酒精蒸汽加熱到185℃后從頂部流出，所需熱量由從頂部進(jìn)入管外殼側(cè)高壓蒸汽提供（水蒸氣壓力和溫度未指明），可見其工作狀況與冷凝器相似。該案例使用7個(gè)月就發(fā)現(xiàn)約30%管材出現(xiàn)泄漏事故，泄漏部位如圖5（a）所示。解剖發(fā)現(xiàn)：所有泄漏均發(fā)生在底部管板連接處上方5 mm左右的環(huán)向（圖5（a）），泄漏管的位置是隨機(jī)的。每一支鋼管抽出后均發(fā)現(xiàn)有環(huán)向裂縫，解剖后發(fā)現(xiàn)：①管內(nèi)壁有許多孔蝕點(diǎn)；②失效管內(nèi)表面有許多始發(fā)于孔蝕點(diǎn)的裂紋，但也有一些并非從孔蝕點(diǎn)始發(fā)，裂紋十分細(xì)小，要放大100倍才能顯示。這些裂紋都尚未穿透管壁厚度；③泄露處的裂縫已經(jīng)穿透管壁厚度裂紋，且未見壁厚減小，亦無(wú)任何過(guò)載造成的塑性脆斷跡象，即并非光滑的撕裂，而是階梯狀的晶間開裂。因此斷定這是典型氯化物引起的應(yīng)力腐蝕開裂（Cl-SCC）。原因是：①酒精純度不符合要求，其中所含濕氣超標(biāo)及所含氯離子是誘發(fā)管內(nèi)壁孔蝕的根本原因；②管壁表皮溫度超過(guò)60℃；③存在殘余或外加拉應(yīng)力，數(shù)值很低就可能導(dǎo)致氯離子SCC（Cl-SCC）。

圖5 國(guó)外失效案例中的泄漏部位

5.2 氨再生高壓蒸餾器中的冷凝器失效案例

文獻(xiàn)[27]中列出一化工廠氨冷凝器（再生高壓蒸餾器）失效案例。該冷凝器亦為立式結(jié)構(gòu)，用25 mm×2.2 mm×6 400 mm規(guī)格SA213/SA213M標(biāo)準(zhǔn)316L無(wú)縫管制成。端板厚100 mm，頂部管內(nèi)送入150℃，1.7 MPa（250 psi）含有135 g/L的氨和4.78 g/L的CO2蒸汽。管板之間用脹管法壓緊后再用GTAW法密封（見圖5（b））。使用過(guò)程中部分管板連接處發(fā)生泄漏，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)脹管部位管材內(nèi)壁鈍化膜完全失去，部分內(nèi)外壁均有裂紋，其中有些裂紋穿透壁厚。解剖的 3根樣管共發(fā)現(xiàn)13條裂紋中只有1條是縱向，說(shuō)明裂紋主要是橫向的。原因是：①高溫高壓含氨、CO2及碳酸氨的蒸汽對(duì)冷凝器管入口內(nèi)壁造成的沖刷磨蝕（erosion corrosion），加上脹管引起的縱向殘余應(yīng)力誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕開裂是內(nèi)壁引起橫向裂紋的主要原因；②脹管時(shí)未能脹及端板全部厚度，使管外壁與端板里側(cè)之間留有間隙，從而誘發(fā)縫隙腐蝕，引起管端外壁裂紋。

5.3 案例的啟示

（1）上述兩個(gè)案例分析充分說(shuō)明所涉冷凝器泄漏失效原因很復(fù)雜，為避免此類事故發(fā)生，必須從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管材材質(zhì)選擇、冷凝器制造工藝及冷卻水處理多方面著手。焊接并非引起此類事故的主要或唯一原因，有些設(shè)計(jì)或使用部門以為只要不采用焊管或焊接就可以提高安全性的觀念是錯(cuò)誤的。不銹鋼的導(dǎo)熱性很差，無(wú)縫管的壁厚公差較難控制和精確測(cè)定，這也許是RCC-M中唯一的核島用熱交換器制造標(biāo)準(zhǔn)采用的是不銹鋼焊管，以及美標(biāo)中唯一的包含冷凝器ASTM，ASME，USDOE-NE和DD統(tǒng)一的熱交換器及兩項(xiàng)ASTM，ASME共同認(rèn)定的給水加熱器專用不銹鋼焊管標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要原因。中國(guó)作為全球不銹鋼和不銹鋼管生產(chǎn)大國(guó)，2010年才頒布相應(yīng)的此類專用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24593―2009，說(shuō)明我國(guó)不銹鋼焊管制造業(yè)尚處于初級(jí)階段，其原因值得有關(guān)部門和小直徑連續(xù)焊管行業(yè)思考。

（2）304和316L鋼管并非抗氯離子SCC的優(yōu)選或理想鋼種。

（3）SA213/A213標(biāo)準(zhǔn)亦非制造冷凝器用不銹鋼管的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，更不宜用作凝汽器、給水加熱器這類高端薄壁不銹鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)。新近頒布的YB/T 4205：2009，YB/T 4223―2010及GB/T 24593—2009是必要的，但所列鋼種需作修正補(bǔ)充。20多年前頒布的化工行標(biāo) HG 20537.2―1992更應(yīng)作出必要修改調(diào)整。

（4）雖然對(duì)不銹鋼的氯離子SCC機(jī)理至今尚存爭(zhēng)議[28]，但是早在 20世紀(jì)90年代就已探明了合金元素對(duì)其抗Cl-SCC的影響[29]，如圖6所示，其以下要點(diǎn)指明的凝汽器和給水加熱器選材方向已在表3和表4中得到印證：①w(Ni)=8%～15%時(shí)的普通奧氏體不銹鋼對(duì)Cl-SCC很敏感；當(dāng)w(Ni)=25%～35%時(shí)，使其抗Cl-SCC性能明顯提高；當(dāng)w(Ni)＜5%時(shí)，Ni含量愈低對(duì)Cl-SCC越有利（圖6（a）和圖6（b））。②在NaCl溶液試驗(yàn)中，含Mo量越高，抗Cl-SCC性能會(huì)明顯提高（圖6（c））。但MgCl2溶液試驗(yàn)中，w（Mo）＞1.5%時(shí)才顯示出有利影響。③w（Cr）＝12%～25%，w（C）＝0.06%～0.1%對(duì)奧氏體不銹鋼 Cl-SCC性能影響最小。當(dāng)w（Co)＞1.5%，w（B）＞0.01%，w（A1)＞0.04%及w（Mn)＞2.0%都有劣化作用。④P，S和O2等雜質(zhì)含量及鐵素體鋼中的N含量均劣化不銹鋼Cl-SCC性能，但奧氏體鋼中的N含量另當(dāng)別論。⑤鐵素體比奧氏體更耐CI-SCC，因此鐵素體及雙相不銹鋼均有較高抗Cl-SCC性能，但要警惕氫脆。

圖6 不銹鋼化學(xué)成分對(duì)CI-SCC敏感性的影響

（5）文獻(xiàn)[1]曾指出在失效樣管外表面檢測(cè)到氯離子。A688/A688M/SA688/SA688M和A803/ A803M/SA803/SA803M都在13.2中規(guī)定要抽查表面氯化物（鹽）的含量，可見把住這一關(guān)口十分重要。

6 小結(jié)和建議

（1）不銹鋼管的耐蝕性不僅取決于材質(zhì)的化學(xué)成分，而且與其制造、貯運(yùn)和使用過(guò)程中所經(jīng)歷的環(huán)境和介質(zhì)狀況密切相關(guān)。冷凝器、給水加熱器這類以高溫高壓水蒸氣和水為熱交換兩相的換熱器泄漏失效事故，應(yīng)追查材質(zhì)本身的化學(xué)成分，但是更要追究不銹鋼管的制造流程及質(zhì)量檢驗(yàn)、貯運(yùn)及換熱器的制造流程是否失當(dāng)。

（2）壁厚均勻是不銹鋼焊管被確認(rèn)為制造凝汽器此類薄壁不銹鋼管的主要原因，且是國(guó)際上已經(jīng)歷70年發(fā)展的成熟技術(shù)。我國(guó)不銹鋼焊管經(jīng)過(guò)30余年發(fā)展，產(chǎn)量很高，但至今未能有效占據(jù)超超臨界熱電站冷凝器、給水加熱器這類高端應(yīng)用領(lǐng)地，說(shuō)明我國(guó)不銹鋼焊管制造業(yè)亟待有質(zhì)的提升，為此必須克服單純追求產(chǎn)量和高速度的傾向。

（3）焊縫金屬的鑄造組織特征、容易出現(xiàn)低熔偏析、在焊縫中心形成微小熱裂紋以及微縮孔是不銹鋼焊管高端應(yīng)用的障礙。這類奧氏體不銹鋼焊管必須經(jīng)過(guò)冷加工。過(guò)高的焊速和焊接電流、過(guò)窄的焊縫和不恰當(dāng)?shù)某尚尾粌H加劇偏析、熱裂紋和微縮孔，且焊縫質(zhì)量難以控制，并可能因無(wú)足夠內(nèi)外焊縫余高而不能進(jìn)行冷加工來(lái)改善鑄造組織。

（4）孔蝕和ClSCC是凝汽器和給水加熱器用不銹鋼焊管使用條件下的主要腐蝕危害。制造和貯運(yùn)過(guò)程必須嚴(yán)防氯化物玷污。固溶處理后決不能再作矯直或整圓。焊后進(jìn)行拋磨，且在線固溶退火后設(shè)置定徑和矯直的連續(xù)焊管機(jī)組只能用于制造結(jié)構(gòu)用管，不能用于制造此類高檔次不銹鋼焊管。

（5）抗孔蝕當(dāng)量PRE僅為19左右的304和304L不銹鋼，僅從抗點(diǎn)蝕性能出發(fā)，就不應(yīng)作為冷凝器這類換熱器不銹鋼焊管選材。PRE為 26的316L也并非這類換熱器的理想選材。若要根除Cl-SCC則宜改用超級(jí)奧氏體、鐵素體、雙相不銹鋼或鎳基合金焊管。

（6）采用304和316L無(wú)縫不銹鋼管制造的冷凝器泄漏失效事故解剖研究表明：焊接決非是引起此類失效事故的主要原因。A/SA213/A/ SA213M亦非此類高檔不銹鋼管有效制造標(biāo)準(zhǔn)。

（7）X射線衍射殘余應(yīng)力測(cè)定是高端不銹鋼焊管發(fā)展中涉及的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，有關(guān)部門應(yīng)協(xié)調(diào)組織攻關(guān)突破。

（8）對(duì)尚在進(jìn)口的此類304和316L高端不銹鋼焊管，有關(guān)部門應(yīng)按美標(biāo)要求控制質(zhì)量，例如要求供貨方提供表面氯化物殘留量或殘余應(yīng)力測(cè)定數(shù)據(jù)等。

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Research on Stainless Steel Pipe Manufacturing Quality Control Used for Condenser and Feedwater Heater（Ⅱ）——Discuss Insufficient and Corrected of“Research of Pitting Corrosion Resistance of Certain Domestic Stainless Steel Welded Pipe Condenser”

HE Defu1,WANG Jingying1,2
（1.Shanghai JiuLi industrial&Commercial Dev.Ltd.,Shanghai 200135,China;
2.Zhejiang Detrans Piping Co.,Ltd.,Huzhou 313105,Zhejiang,China）

Condenser and feedwater heater are components manufactured by adopting stainless steel pipe in equipment of ultra super critical power station.It although already possess such high-grade stainless steel welded pipe production conditions in China domestic,but is still difficult to meet the requirements of high standard and enter into the international market competition. It discussed control factors of small diameter stainless steel welded pipe combined with production current status in this article.It also introduced two failed examples of condenser,so as to indicate the causes for the leakage of such heat exchanger failure,and 304 steel pipeis not the ideal choice.Finally,it discussed manufacturing standards details for stainless steel pipe.

stainless steel welded pipe;feedwater heater;condenser;solution annealing heat treatment;leakage;stress corrosion cracking(SCC)

TG142.71

B

1001－3938（2015）08-0051-09

何德孚，男，上海交通大學(xué)教授，上海久立焊管研究所所長(zhǎng)。

2014-11-19

李紅麗