復(fù)合板封頭的敏化和避免措施

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

某化工廠生產(chǎn)聚氯乙烯的裝置于2006年12月投入使用，2007年12月年度檢查時，對其中兩臺接受槽(V-211A和V-211C)進行了內(nèi)表面滲透檢查，發(fā)現(xiàn)其下封頭內(nèi)表面出現(xiàn)了大量密集的細微線狀顯示，通過金相分析和熱應(yīng)力分析確定：其封頭復(fù)層奧氏體不銹鋼敏化后，在后續(xù)的封頭成型和服役過程中產(chǎn)生沿晶裂紋乃至部分晶粒脫落的典型晶間腐蝕現(xiàn)象。

1 設(shè)備概況

接受槽為第I類壓力容器，壓力為0～750kPa(g)，工作溫度為50～67℃，介質(zhì)為氯乙烯單體、過氧化物、偶氮化合物引發(fā)劑、蒸汽等。介質(zhì)中含有Cl-，一定條件下發(fā)生水解反應(yīng)，生成HCl，溶于水形成鹽酸，屬于對奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕介質(zhì)。

槽內(nèi)直徑4 500mm，槽容積150m3，筒體和封頭均為復(fù)合板，基層材料16MnR，復(fù)層材料0Cr18Ni9。下封頭和筒體下部分別安裝有攪拌器。封頭厚度為30+3mm，筒體厚度有攪拌器部分為28+3mm，無攪拌器部分為16+3mm。

封頭為內(nèi)徑4 500mm的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，用復(fù)合板由正火態(tài)30mm厚的16MnR板和固溶態(tài)3.1mm厚的0Cr18Ni9板爆炸復(fù)合而成，復(fù)合后經(jīng)正火溫度熱處理(920±10℃保溫60min，出爐風(fēng)冷)消除爆炸應(yīng)力。

2 腐蝕狀況

超聲測厚顯示，筒體和封頭未有減薄或減薄不明顯，說明均勻腐蝕不明顯。

滲透檢查在筒體內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋，上封頭內(nèi)壁有零星細小線狀顯示，在下封頭發(fā)現(xiàn)大面積密集的細小線狀顯示，疑是微裂紋(見圖1(a)與圖1(b))。出現(xiàn)在封頭的整個區(qū)域，其中，封頭直邊到圓弧過渡段分布較為集中。

3 金相分析

對PT顯示最嚴(yán)重的V-211A下封頭及其附近筒體內(nèi)表面選取12處打磨，進行金相覆膜檢查，按檢查順序編號為1#到12#，位置見圖2(a)與圖2(b)。其中，4#、5#位于封頭直邊段，12#位于封頭圓弧過渡區(qū)。

圖1 下封頭內(nèi)表面PT顯示

圖3(a)、3(b)是4#位置的金相照片，為沿晶裂紋形貌，部分晶粒呈脫落狀，組織為奧氏體+晶界滑移線上的碳化物；圖3(c)、3(d)是5#位置的金相照片，為沿晶裂紋形貌，組織為奧氏體+晶界滑移線上的碳化物；圖3(e)、3(f)是12#位置打磨較深處的金相照片，為殘余顯微裂紋形貌，組織為奧氏體。晶界滑移線上出現(xiàn)碳化物、沿晶出現(xiàn)裂紋，甚至晶粒脫落的現(xiàn)象，說明復(fù)層0Cr18Ni9發(fā)生了敏化，并在服役過程中產(chǎn)生了晶間腐蝕。

圖3 V-211A下封頭處金相照片

4 敏化的原因分析

回顧封頭的成型和熱處理，坯料制備和拼焊完成后，首次熱處理(600±20℃保溫80min，爐冷到480℃后出爐風(fēng)冷)，然后鼓壓成型，再經(jīng)中間熱處理(制度同首次熱處理)，然后旋壓成型，最后經(jīng)熱處理(用980℃保溫30min，22min內(nèi)強制風(fēng)冷至400℃)。

首次熱處理是為了消除焊接應(yīng)力，中間熱處理是為了消除變形殘余應(yīng)力，最終熱處理是為了消除變形殘余應(yīng)力和消除前兩次熱處理對奧氏體不銹鋼復(fù)層產(chǎn)生的敏化，恢復(fù)其固溶狀態(tài)。

奧氏體不銹鋼在540～845℃存在敏化區(qū)[1]，當(dāng)奧氏體不銹鋼在該溫度區(qū)保溫、緩慢升溫或緩慢冷卻時，奧氏體中過飽和的碳將和Fe、Cr化合成(Cr、Fe)23C6，沿晶界沉淀析出，從而造成晶界附近區(qū)域貧鉻，使晶界處于首先被腐蝕的狀態(tài)——敏化狀態(tài)。0Cr18Ni9材料在650℃保溫10min就存在敏化的危險[2]，封頭復(fù)層材料在600±20℃兩次保溫80min后已經(jīng)嚴(yán)重敏化，在后來的旋壓成型過程和使用過程中，封頭變形大的地方(如圓弧過渡段)就容易萌生裂紋和產(chǎn)生晶間腐蝕。最終熱處理采用980℃保溫30min、22min內(nèi)強制風(fēng)冷至400℃的制度，是希望消除復(fù)層不銹鋼的敏化并恢復(fù)到固溶狀態(tài)。由實際封頭的晶間腐蝕狀況可知，該熱處理制度消除敏化的效果并不理想。

5 避免措施

奧氏體不銹鋼敏化后，在腐蝕介質(zhì)中易發(fā)生晶間腐蝕，出現(xiàn)晶間開裂、晶粒脫落，甚至加速全面腐蝕，因此該兩只下封頭已經(jīng)沒有修復(fù)的意義，需要重新制造替換。重新制造封頭存在如下兩種解決敏化問題的方案。

(1)改旋壓成型為分瓣成型，免除熱處理，避開奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)，保持不銹鋼的固溶狀態(tài)是最有效的防止敏化和晶間腐蝕發(fā)生的方法。

(2)用超低碳的奧氏體不銹鋼00Cr19Ni10代替0Cr18Ni9；仍采用原成型工藝，僅修改最終熱處理制度，使封頭的敏化減輕或消除。

實際采用了第二種方案來制造新封頭。該方案的關(guān)鍵在于最終熱處理需平衡兩個方面：第一，為消除成型過程中產(chǎn)生的敏化，熱處理溫度應(yīng)足夠高，最好能達到奧氏體不銹鋼的固溶處理溫度，結(jié)合在晶界的碳化物需要足夠高的溫度才開始分解，時間應(yīng)足夠長，晶界的碳元素需要時間擴散固溶到奧氏體中；第二，為保證基層碳鋼的強度和沖擊韌性，熱處理溫度和時間不能過高和過長，最好能控制在碳鋼材料的正火溫度范圍。

通過取樣模擬試驗證實：980℃保溫50min，出爐22min內(nèi)降溫至400℃的熱處理制度，可消除或避免復(fù)層奧氏體不銹鋼的敏化，基層碳鋼的強度和韌性雖有降低，但仍能滿足相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。

因此，修改后的最終熱處理方案為：保溫溫度仍為980℃，將測溫?zé)犭娕妓ń釉诜忸^內(nèi)表面確保封頭內(nèi)表面所有測溫點都達到980℃；延長保溫時間到50min；封頭出爐，采用水霧冷卻，確保22min內(nèi)封頭降溫至400℃。

新封頭最終熱處理完成后，經(jīng)金相覆膜檢查，沒有發(fā)現(xiàn)敏化現(xiàn)象；組織為奧氏體，奧氏體晶界不明顯，細小矩形孿晶可見，為固溶態(tài)組織(見圖4)。

圖4 新封頭最終熱處理后金相照片

6 結(jié)語

經(jīng)過以上分析，可得以下結(jié)論：①封頭成型中的兩次熱處理，使復(fù)層奧氏體不銹鋼發(fā)生了敏化；最終熱處理沒能有效消除敏化的影響；②封頭復(fù)層材料改為超低碳奧氏體不銹鋼，最終熱處理時間延長至50min，冷卻方式改為水霧冷卻，有效解決了復(fù)合板封頭的敏化問題，防止了晶間腐蝕的發(fā)生。