某反應(yīng)釜盤管泄漏失效分析

呂斌峰

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海 201323）

某系統(tǒng)反應(yīng)釜使用后發(fā)現(xiàn)有冷卻水從釜體外部保溫層內(nèi)流出，該盤管材質(zhì)為SA-240 304L，該釜冷卻水使用后會(huì)有60s 的時(shí)間進(jìn)行氣體吹掃以排出管內(nèi)積水（不排除有水分殘留）。經(jīng)拆開保溫后發(fā)現(xiàn)，最下面一根盤管有2 處裂紋，經(jīng)超聲波測(cè)厚儀測(cè)量，該處壁厚檢查未見明顯異常，如圖1(a)所示。取樣切開后發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重銹跡，如圖1(b)所示。為了查明失效原因，取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，拉伸試驗(yàn)，金相檢驗(yàn)等試驗(yàn)。

圖1 實(shí)物裂紋照片

表2 管子拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 金相照片

1 理化試驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

如圖1(b)所示化學(xué)成分樣品處取樣，采用臺(tái)式直讀光譜儀對(duì)接管外壁及內(nèi)壁進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，其成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 拉伸試驗(yàn)

在裂紋附近處縱向取樣進(jìn)行室溫拉伸性能試驗(yàn)，拉伸試樣寬度為12.5mm，厚度按原管壁厚，按照GB/T228.1 試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

將切割后的管子沿裂紋處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，將樣品打磨拋光用10%草酸電解腐蝕后，在金相顯微鏡下放大12.5倍觀察裂紋走向，可以看出從管內(nèi)壁往外壁擴(kuò)展，見圖2 所示。分別放大100X，200X，500X 后觀察，金相結(jié)果顯示：組織為奧氏體組織，裂紋主要為穿晶裂紋，其裂紋呈明顯的支狀裂紋，見圖2 所示。

表1 管子內(nèi)外壁化學(xué)成分

圖3 奧氏體不銹鋼SCC 與氯離子濃度和溫度的關(guān)系

由以上理化試驗(yàn)結(jié)果，可知此盤管材料的化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，材料組織為正常奧氏體組織，裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，裂紋主要為穿晶裂紋，呈枝狀分布。

2 分析與討論

經(jīng)過調(diào)查了解，本項(xiàng)目所使用的盤管材料為304L 材料，盤管由板材冷成形壓制而成，本身應(yīng)力較大，加上焊接過程還會(huì)再次增加應(yīng)力，導(dǎo)致材料內(nèi)部存在較大應(yīng)力，且冷卻水中CL 離子濃度高達(dá)210ppm，溫度達(dá)180℃，具備了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的三要素，很容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）。

溫度是影響應(yīng)力腐蝕的重要因素之一，隨著溫度的升高，發(fā)生SCC 的氯離子濃度在降。由文獻(xiàn)可知當(dāng)溫度達(dá)到180℃時(shí)，較低的氯離子濃度即可發(fā)生SCC。從金相結(jié)果也可以看出為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。從使用環(huán)境來說，CL 離子濃度高，操作溫度高，本身就具有很高的應(yīng)力腐蝕敏感性。

控制應(yīng)力腐蝕失效的方法，需要從應(yīng)力腐蝕開裂三要素(材料敏感性、內(nèi)應(yīng)力，環(huán)境介質(zhì))著手解決。

（1）對(duì)于材料，高應(yīng)力腐蝕敏感性環(huán)境需要選用耐應(yīng)力腐蝕不銹鋼。從敏感性高低排列，304L＞316L＞2205。含Mo 的316L 奧氏體不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能要優(yōu)于304L，而奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力最好。

（2）控制應(yīng)力，在壓力容器制造過程中，盡可能降低存在的應(yīng)力。如本項(xiàng)目盤管為薄板卷成盤管，本身開平板應(yīng)力就比較大，再經(jīng)過加工成形已經(jīng)后續(xù)安裝焊接等工序，造成應(yīng)力的疊加。如果盤管由管子彎制而成，內(nèi)應(yīng)力將會(huì)小很多。

（3）環(huán)境介質(zhì)，對(duì)于化工設(shè)備，其使用的工藝條件對(duì)應(yīng)力腐蝕有巨大影響，其工藝介質(zhì)中的氯離子含量、溫度、PH 值、溶解氧含量等都會(huì)影響設(shè)備的使用。應(yīng)做到按照介質(zhì)條件，使用工況情況來選擇合適的材料進(jìn)行制造，可通過添加緩蝕劑來降低工藝介質(zhì)的腐蝕特性。

3 結(jié)語

（1）該盤管是由于冷卻水氯離子濃度較高，使用溫度較高引起的SCC。

（2）通過改變盤管的材料來提高此操作條件下的耐應(yīng)力腐蝕能力。

（3）通過添加緩蝕劑來降低冷卻水的氯離子含量，降低使用溫度來減緩應(yīng)力腐蝕敏感性。