304不銹鋼換熱管在氫氣、循環(huán)水介質(zhì)中開裂分析

魏海旺

摘 要：為了找出換熱管開裂的原因，通過對換熱管進(jìn)行了宏觀檢查，斷口金相檢驗，斷面電鏡掃描，腐蝕產(chǎn)物能譜分析及機械性能試驗，結(jié)果顯示裂紋由管壁內(nèi)、外表面啟裂，向內(nèi)延伸;硬度超標(biāo);晶界有大量蝕坑;能譜分析Cl含量較高。結(jié)論：管內(nèi)局部酸性溶液腐蝕導(dǎo)致不銹鋼氧化膜破裂，膜破處滲氫導(dǎo)致氫脆，誘發(fā)Cl離子應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：酸性溶液腐蝕;氫脆;應(yīng)力腐蝕開裂

1 引言

化工企業(yè)中奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂（SCC）比較常見，但對奧氏體不銹鋼氫脆（HE）認(rèn)識不足。與碳鋼、低合金鋼相比，不銹鋼難以發(fā)生由腐蝕引起的氫脆，但在高壓氫氣環(huán)境下不銹鋼也存在氫脆的危險[1]。雖然奧氏體不銹鋼在氫環(huán)境中不能產(chǎn)生明顯的氫脆現(xiàn)象，但是卻不能忽視其在長期氫環(huán)境下的脆化。充氫后304L不銹鋼塑性明顯下降，屈服強度σ0.2和抗拉強度σb有不同程度的提高[2]。304L不銹鋼陰極充氫，只有在超過某一臨界應(yīng)力（σc）作用下才會發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變[2]。由于304不銹鋼屬于非穩(wěn)定型不銹鋼，在氫氣中形變，或在電解充氫中形變也可能發(fā)生氫致滯后斷裂[3]。本文的目的在于探討低于115℃高壓氫氣介質(zhì)工況下，304不銹鋼發(fā)生氫致滯后斷裂的可能性。

2 方法

2.1 宏觀檢查

取2根開裂換熱管段進(jìn)行表面檢查。

2.2 樣管1金相組織檢查

按《金屬顯微組織檢驗方法》[4]對樣管1軸向截面取樣進(jìn)行顯微組織檢驗，對樣管1環(huán)向截面金相檢驗。

2.3 電鏡掃描

打開樣管1環(huán)向裂紋進(jìn)行斷口形貌電鏡掃描。

2.4 能譜分析

對樣管1斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析。

2.5 化學(xué)成分分析

對樣管1取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析。

2.6 力學(xué)性能試驗

對樣管1取樣進(jìn)行表面硬度檢測。

3 結(jié)果

3.1 宏觀檢查結(jié)果

2根有裂紋換熱管，一根為環(huán)向裂紋，一根為軸向約45度角裂紋，內(nèi)表面均有腐蝕淺坑。

3.2 電鏡掃描結(jié)果

斷口表面有淡黃色腐蝕的痕跡，脆性斷口，斷口表面附著有少量腐蝕產(chǎn)物，如圖3所示。斷口為準(zhǔn)解理特征，可以觀察到斷口表面存在較多撕裂楞，同時存在少量二次裂紋。

3.4 化學(xué)成分分析結(jié)果

見表3。材料化學(xué)成分符合《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》[5]化學(xué)成分的要求。

3.5 力學(xué)性能試驗結(jié)果

見表4。硬度值偏高，不符合《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》[5]要求。

4 討論

4.1 管內(nèi)壁淺表蝕坑分析

管內(nèi)介質(zhì)氫氣含有微量水、CO2、硫化物。氫氣進(jìn)料溫度115℃，換熱后在距離管板150 mm至200 mm位置水分凝結(jié)為液態(tài)水滴，吸收二氧化碳、硫化物形成局部酸性環(huán)境，是造成金屬表面氧化膜破裂的因素。工藝操作的波動對控制酸性氣體的含量產(chǎn)生重要影響。

4.2 管外壁啟裂機理分析

樣管1裂紋位置在換熱器中氫氣入口附近，金屬壁溫達(dá)到60℃以上，循環(huán)水氯離子含量800 ppm，具有應(yīng)力腐蝕開裂可能。腐蝕產(chǎn)物極高的氯元素含量表明有氯離子腐蝕存在。應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力遠(yuǎn)小于氫致開裂的臨界應(yīng)力，因此，應(yīng)力腐蝕開裂不會誘發(fā)氫致開裂。但氫脆導(dǎo)致的局部應(yīng)力升高會誘發(fā)氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

4.3 結(jié)論

換熱管內(nèi)壁局部酸性溶液腐蝕導(dǎo)致表面氧化膜破裂，由此發(fā)生管壁內(nèi)部滲氫。滲氫誘發(fā)局部連片晶粒出現(xiàn)條狀馬氏體組織，材質(zhì)硬度升高，韌性下降。在晶界附近有碳原子與氫結(jié)合，形成蝕坑及氣孔，內(nèi)部應(yīng)力升高，導(dǎo)致氫致開裂。氫致開裂后未開裂局部應(yīng)力升高誘發(fā)氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

參考文獻(xiàn)：

[1]余存燁.奧氏體不銹鋼的氫脆[J].全面腐蝕控制，2015， 29（08）：11-15.

[2]張恒華，魏紹琴，姚玉琴，林實.氫致304L奧氏體不銹鋼脆斷機理的研究[J].材料科學(xué)與工藝，1993，1（2）：15-21.

[3]徐躍，趙竹第，劉艷華，于文學(xué)，鄭偉濤.氫對非穩(wěn)定不銹鋼的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報（理學(xué)版），2006，44（6）：980-983.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.金屬顯微組織檢驗方法：GB/T13298-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管：GB/T13296-2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.