某奧氏體不銹鋼壓力容器硬度異常分析

黃志鵬

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院，福建 漳州 363000）

奧氏體不銹鋼通常被認(rèn)為具有良好的綜合力學(xué)和加工工藝性能，同時(shí)具有耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)秀性能，因此已被廣泛運(yùn)用于壓力容器制造領(lǐng)域[1]。近幾年來(lái)，隨著我國(guó)石油化工和設(shè)備制造行業(yè)的發(fā)展，各項(xiàng)目中使用奧氏體不銹鋼制造設(shè)備的情況越來(lái)越多，其用量也越來(lái)越大，相應(yīng)的奧氏體不銹鋼失效事例也越來(lái)越多[2]。分析這些失效事例，由于奧氏體不銹鋼材料硬度異常導(dǎo)致的失效最為常見(jiàn)。文中針對(duì)某個(gè)奧氏體不銹鋼檢驗(yàn)過(guò)程中碰到的材料硬度異常案例，分析產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，根據(jù)分析結(jié)果在設(shè)備制造和使用過(guò)程中提出幾點(diǎn)建議。

1 設(shè)備檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3]第8章的規(guī)定，對(duì)某個(gè)奧氏體不銹鋼設(shè)備進(jìn)行硬度檢測(cè)，該設(shè)備的基本情況如表1所示。

表1 設(shè)備概況表

對(duì)該設(shè)備上、下封頭進(jìn)行硬度檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)封頭直邊段及扳邊過(guò)渡段硬度值存在超標(biāo)異常的情況，硬度值由封頭中心（硬度值為190HB）向兩側(cè)逐漸增加，在直邊段達(dá)到最高值385HB。檢測(cè)部位和相應(yīng)的硬度檢測(cè)值見(jiàn)圖1和表2。

圖1 硬度及鐵素體檢測(cè)部位

表2 硬度及鐵素體檢測(cè)部位對(duì)應(yīng)數(shù)值

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，直邊段和扳邊過(guò)渡段的硬度值遠(yuǎn)大于《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》[4]中材料硬度不大于201HB的規(guī)定。雖然《鋼制化工容器制造技術(shù)要求》[5]中對(duì)于有耐腐蝕要求的容器在成型后表面硬度值大于235HB時(shí)應(yīng)進(jìn)行固溶處理的要求，但是《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3]和《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》[6]中并無(wú)超過(guò)硬度限值該設(shè)備如何處理的相關(guān)規(guī)定，因此在檢驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整了檢驗(yàn)方案，增加了材料元素分析、材料鐵素體含量檢測(cè)、金相分析和封頭內(nèi)外表面100%滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如下：

（1）采用全定量光譜儀對(duì)封頭金屬材料中的各元素含量進(jìn)行檢測(cè)，并查閱容器出廠資料中封頭的材料表并對(duì)比材料的制造標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果表明：封頭部位元素含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，不存在材料使用方面的問(wèn)題。

表3 封頭光譜分析表 單位：%

（2）對(duì)封頭硬度檢測(cè)部位進(jìn)行鐵素體含量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2和圖2所示。從圖2中可以看出，鐵素體含量與硬度值存在近似線性關(guān)系，硬度值隨著鐵素體含量增大而增大。與硬度值分布類似，設(shè)備直邊段鐵素體含量最大，封頭中心處含量最小。

圖2 硬度與鐵素體含量關(guān)系圖

（3）對(duì)硬度最大值部位直邊段（圖1中的編號(hào)1處）進(jìn)行金相檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖中可以看出，該處奧氏體晶粒有沿加工方向破碎、滑移面及晶界上產(chǎn)生大量位錯(cuò)現(xiàn)象，產(chǎn)生針狀馬氏體。

圖3 400倍金相圖

圖4 800倍金相圖

（4）對(duì)該封頭內(nèi)外表面進(jìn)行了100%滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標(biāo)缺陷。

2 原因分析

由元素含量檢測(cè)結(jié)果可知封頭部位元素含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。由金相結(jié)果可知，封頭材料的顯微組織為奧氏體基體上分布著大量析出的碳化物和形變馬氏體。由硬度測(cè)試結(jié)果可知，該設(shè)備直邊段及扳邊過(guò)渡段硬度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知[7][8]，這是由兩方面因素導(dǎo)致的：

其一，由出廠資料可知，該封頭使用材料為06Cr19Ni10，采用冷沖壓工藝進(jìn)行制造，成型后無(wú)固溶處理。06Cr19Ni10材質(zhì)屬于亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，而冷加工是亞穩(wěn)態(tài)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的誘因。當(dāng)亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)容易轉(zhuǎn)變?yōu)獒槧铖R氏體顯微結(jié)構(gòu)，并且隨著工程應(yīng)變量的增加，形變誘發(fā)馬氏體相的含量也在增加。當(dāng)板材下料進(jìn)行冷沖壓時(shí)，封頭的直邊段材料所受的變形量最大，而受到強(qiáng)烈的冷變形時(shí)發(fā)生了奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，這樣一來(lái)就導(dǎo)致不銹鋼具有一定的磁性，用鐵素體儀可檢測(cè)到大量的鐵素體，鐵素體含量和硬度值呈線性關(guān)系。扳邊部位變形比直邊小，所以鐵素體含量和硬度都比直邊段小。而封頭頂部變形最小，鐵素體和硬度符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

其二，彌散分布在奧氏體上的碳化物是由于材料沒(méi)有經(jīng)過(guò)有效的高溫?zé)崽幚?、碳化物沒(méi)有充分溶解于奧氏體中產(chǎn)生的。大量碳化物彌散分布于奧氏體基體中，對(duì)材料起到了彌散強(qiáng)化的作用，更加提高了材料的硬度。同時(shí)冷變形產(chǎn)生了大量的形變馬氏體，未回火的馬氏體作為硬脆相本身硬度很高，馬氏體硬度值比奧氏體大也使得材料整體硬度變大。

綜上所述，沒(méi)有經(jīng)過(guò)規(guī)范的熱處理是導(dǎo)致這兩個(gè)因素存在的直接原因，當(dāng)材料進(jìn)行重新熱處理（固溶處理）后其顯微組織為單相奧氏體，從而可以有效消除形變馬氏體，降低材料的鐵素體含量及硬度，減少設(shè)備裂紋的產(chǎn)生。

3 制造及使用建議

由于加工和使用過(guò)程中產(chǎn)生的形變誘發(fā)馬氏體相變與材料成分、制造工藝等多種因素有關(guān)，為了預(yù)防和減少形變馬氏體的產(chǎn)生而引起材質(zhì)裂化，導(dǎo)致封頭在加工或使用過(guò)程中失效，筆者在制造和使用方面提出兩點(diǎn)建議：

3.1 制造方面

（1）對(duì)于冷成型奧氏體不銹鋼封頭，可通過(guò)成型后的固溶處理或者改善成型工藝來(lái)減輕或者避免加工硬化。例如，對(duì)于旋壓封頭，先進(jìn)行冷沖壓預(yù)壓，然后加熱至250℃旋壓成形；對(duì)于不能旋壓的封頭，先冷沖壓預(yù)壓，再加熱到250℃沖壓成形，以上兩種方法均可減少塑性加工過(guò)程中的形變誘發(fā)馬氏體相變。

（2）制造單位在奧氏體不銹鋼封頭安裝之前，應(yīng)測(cè)試封頭的硬度、鐵磁相含量等是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求值，以便清除不合格封頭。

3.2 使用方面

嚴(yán)格控制使用過(guò)程中介質(zhì)成分、溫度、壓力、pH值等工藝指標(biāo)，在工藝允許的前提下，可以添加適量緩蝕劑，減少對(duì)設(shè)備的腐蝕。

4 結(jié)論

文中對(duì)奧氏體不銹鋼容器進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其硬度值異常，隨后利用硬度檢測(cè)、材料元素分析、材料鐵素體含量檢測(cè)、金相分析和封頭內(nèi)外表面100%滲透檢測(cè)等方法對(duì)該設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行分析，結(jié)果如下：

（1）該設(shè)備封頭直邊段硬度最高，超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)限定值，達(dá)到了385HB，封頭中心處硬度值最低，僅為195HB，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）對(duì)該設(shè)備材料進(jìn)行元素含量檢測(cè)結(jié)果可知封頭部位元素含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求；對(duì)該封頭內(nèi)外表面進(jìn)行了100%滲透檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)可記錄的超標(biāo)缺陷。

（3）通過(guò)鐵素體含量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，材料鐵素體含量與硬度值成近似線性關(guān)系，鐵素體含量越高，硬度越大。

（4）金相分析結(jié)果表明奧氏體晶粒有沿加工方向破碎、滑移面及晶界上產(chǎn)生大量位錯(cuò)現(xiàn)象，產(chǎn)生針狀馬氏體。

（5）通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)由于封頭加工時(shí)經(jīng)過(guò)冷沖壓工藝后沒(méi)有進(jìn)行固溶處理導(dǎo)致大量形變馬氏體產(chǎn)生，從而導(dǎo)致材料硬度異常。

（6）根據(jù)分析結(jié)果對(duì)該類設(shè)備制造和使用過(guò)程提出幾點(diǎn)建議。