鎳基合金C-276板片失效分析

俄 馨，李崗，史 偉，齊紅梅，雍紅團華

(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司，甘肅 蘭州 730314； 2.甘肅省機械材料表征與安全評價工程實驗室，甘肅 蘭州 730314； 3.甘肅省高端鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730314 )

某公司生產(chǎn)的板式換熱器共使用143片C-276鎳基合金板片，板片主要用于隔離介質(zhì)和進行熱交換[1-2]，7 ℃冷凍水、98%濃硫酸分別在波紋板兩側(cè)的流道中流過，經(jīng)板片進行熱交換。該換熱器在出廠前的水壓試驗中未發(fā)現(xiàn)任何異常，在使用四年后發(fā)現(xiàn)大部分存在穿孔現(xiàn)象(圖1)。為查找失效原因，進行了相關(guān)的檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 化學(xué)成分分析

在失效板片上取樣，進行化學(xué)成分分析(表1)，結(jié)果符合ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范 國際性規(guī)范Ⅱ B篇 非鐵基材料》對C-276鎳基合金化學(xué)成分的要求。

1.2 宏觀檢驗

該換熱器共使用143片板片，使用四年后，發(fā)現(xiàn)有一部分板片發(fā)生穿孔，送檢其中1片板片。送檢的板片上肉眼可見1小孔。對試樣經(jīng)過清洗后觀察，位于濃硫酸側(cè)板片的孔洞較大，未發(fā)現(xiàn)明顯的沖蝕痕跡，冷卻水側(cè)板片孔洞較小，且有明顯的沖蝕痕跡(圖2)。經(jīng)過體視顯微鏡觀察：濃硫酸側(cè)孔洞存在于機械損傷較嚴(yán)重的部位(圖3)。該板片中的孔洞位于劃痕內(nèi)右側(cè)，同時也發(fā)現(xiàn)在此劃痕的右下方內(nèi)存在一個小孔，但未穿透。

(a)換熱板片濃硫酸一側(cè)；(b)換熱板片冷凍水一側(cè)圖1 穿孔板片(a) the side of concentrated sulfuric acid on heat exchanger plate；(b) the side of chilled water on heat exchanger plateFig.1 The perforated plate

元素CNbCrNiMoWFeAlCo檢測值0.010.2014.7456.2515.923.666.720.301.17標(biāo)準(zhǔn)值≤0.01-14.5～16.550.99～59.4915.0～17.03.0～4.54.0～7.0-≤2.5

(a)濃硫酸側(cè)空洞形貌；(b)冷凍水一側(cè)空洞形貌圖2 板片兩側(cè)孔洞的形貌(a)morphology of hole in the side of concentrated sulfuric acid；(b)morphology of hole in the side of chilled waterFig.2 Morphology of hole in two sides of the plate

1.3 金相檢驗

該板片的顯微組織為γ+β相(即Ni4Mo相，一種有序的金屬間化合物)，見圖4；晶粒度為6.5級，

圖3 孔洞位置存在機械損傷Fig.3 Mechanical damage at the position of hole

符合ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范 國際性規(guī)范Ⅱ B篇 非鐵基材料》中的要求。

1.4 形貌分析

圖5(a)為板片孔洞及周圍形貌，低倍時孔洞輪廓清晰，且孔洞處存在較嚴(yán)重的機械損傷劃痕?？锥刺幍臋C械損傷處晶粒明顯、清晰，見圖5(b)。洞口周圍存在沖蝕凹陷現(xiàn)象，且此沖蝕凹陷處存在明顯的沖蝕帶。此外，經(jīng)EDS掃描顯示小孔的兩側(cè)及洞內(nèi)均無腐蝕產(chǎn)物。

圖4 板片顯微組織Fig.4 Microstructure of the plate

(a)孔洞及周圍形貌；(b)孔洞形貌圖5 板片孔洞處SEM照片(a) morphology of hole and the surrounding ；(b) morphology of the holeFig.5 SEM photos of plate in the hole position

2 分析與討論

C-276板片的化學(xué)成分分析結(jié)果及顯微組織，均符合ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范 國際性規(guī)范Ⅱ B篇 非鐵基材料》的要求。

在送檢的板片上存在多處不同形狀的機械損傷，有深有淺。圖2中顯示板片某處波紋凹面上有一條折線型的劃痕，劃痕右側(cè)的底部有一穿透的小孔；圖3中顯示該板片中的孔洞位于劃痕內(nèi)右側(cè)，同時也發(fā)現(xiàn)在此劃痕的左下方內(nèi)存在一個小孔，但未穿透；圖5可以看出孔洞周圍存在沖蝕凹陷現(xiàn)象，此沖蝕凹陷處存在明顯的沖蝕帶；且孔洞周圍的劃痕處晶粒清晰可見，表明機械損傷應(yīng)該發(fā)生在濃硫酸流經(jīng)板片腐蝕之前。

雖然鎳基合金由于鎳自身容易鈍化，同時也可以固溶多種合金元素。因此能夠抵抗不同腐蝕介質(zhì)的腐蝕，被廣泛用于不銹鋼及其他非金屬耐蝕材料所無法解決的各種嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。C-276鎳基合金屬于Ni-Cr-Mo-Fe-W系鎳基合金，是現(xiàn)代金屬材料中最耐蝕的一種材料，主要耐濕氯、各種氧化性氯化物、氯化鹽溶液、硫酸氧化性鹽，在低溫與中溫鹽酸中均有很好的耐蝕性能，因此在苛刻的腐蝕環(huán)境中，如化工、石油化工、煙氣脫硫等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。圖5可以看出C-276哈氏合金板片在濃硫酸長期侵蝕下晶界清晰可見，這說明哈氏合金在濃硫酸長期作用下存在腐蝕現(xiàn)象。

該換熱器設(shè)計的流速為冷凍水：0.4325 m/s，濃硫酸：0.3056 m/s。當(dāng)兩側(cè)的流體流過板片上的機械損傷處時，在損傷底部形成一個流速加快的過程，相比較其他沒有損傷處，流速很快的冷卻水或濃硫酸相對于機械損傷面有很大的相對運動[3-4]。流速的變化還附加了一個流體對金屬面的切應(yīng)力，這個很高的切應(yīng)力能把沖蝕產(chǎn)物剝離進入流體中，露出新的金屬面[5]，依次往復(fù)從而在近四年的沖蝕過程中形成了如圖5所示的凹槽，此凹槽內(nèi)出現(xiàn)層狀沖蝕帶，沖蝕帶的延伸擴展方向與流體流動方向一致。若板片表面在安裝的過程中存在機械損傷，濃硫酸會在此處沉積腐蝕，從而濃硫酸側(cè)沖蝕孔洞也較大，形成的孔洞大且深。若機械損傷處的深度較深，即殘余厚度較薄，板片兩側(cè)同時經(jīng)過長期的沖蝕就會穿透形成孔洞(如圖3、圖5)，而機械損傷較淺的部位只表現(xiàn)出被沖蝕的跡象，尚沒有孔洞產(chǎn)生。

3 結(jié)論及建議

造成該C-276鎳基合金板片穿孔的原因是由于在板片安裝過程中存在機械損傷，板片兩側(cè)在長時間的濃硫酸流體沖蝕作用下在此機械損傷處穿透從而形成孔洞。由于板片厚度較薄，在安裝過程中嚴(yán)禁劃傷板片，避免隨后在濃硫酸長期浸蝕下在機械損傷處形成腐蝕性穿孔。