在役不銹鋼復(fù)合鋼板晶間腐蝕失效分析

董偉雄* 李涌泉

（1.紹興市特種設(shè)備檢測院 2.中國特種設(shè)備檢測研究院）

不銹鋼復(fù)合鋼板是普通鋼板通過爆炸、軋制、堆焊等工藝，將不銹鋼與普通鋼板復(fù)合而成的鋼板，其同時(shí)具有2 種不同鋼種的特性，既具有不銹鋼的耐蝕性，又具有普通鋼價(jià)格低廉、剛度好等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)藥、石油、化工壓力容器中被大量使用。不銹鋼復(fù)合鋼板是一種特殊的鋼板，其焊后熱處理有一定復(fù)雜性，我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對不銹鋼復(fù)合鋼板熱處理并沒有明確規(guī)定，只能根據(jù)使用條件來選擇合適的熱處理方式[1]。在實(shí)際檢驗(yàn)過程中，焊后熱處理不當(dāng)會導(dǎo)致不銹鋼覆層失去耐蝕性，復(fù)合鋼板缺陷檢出率很高。因此，有必要對典型案例進(jìn)行分析研究，為復(fù)合鋼板壓力容器的設(shè)計(jì)、制造、選用、檢驗(yàn)提供參考。

1 典型案例

對某化肥廠壓力容器進(jìn)行首次檢驗(yàn)時(shí)，幾臺不銹鋼復(fù)合鋼板壓力容器被檢測出不銹鋼覆層具有大量表面裂紋。以循環(huán)氣分離器為例進(jìn)行分析，現(xiàn)場表面滲透檢測得到的裂紋形狀如圖1 所示，裂紋位于不銹鋼覆層，筒體產(chǎn)生了網(wǎng)狀裂紋，人孔位置產(chǎn)生了垂直于焊縫的橫向裂紋。該設(shè)備的投用日期為2016 年9 月，運(yùn)行狀態(tài)為長期使用，期間未有修理、改造記錄。

圖1 循環(huán)氣分離器裂紋

循環(huán)氣分離器主要技術(shù)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力為5.7 MPa，操作壓力為4.65 MPa,設(shè)計(jì)溫度為70 ℃，操作溫度為40 ℃，反應(yīng)器直徑為1 800 mm，簡體基層厚度為34 mm，復(fù)層厚度為3 mm，工作介質(zhì)為循環(huán)氣/甲醇液，筒體基層材料為Q345R，復(fù)層材料為OCr18Ni9，供貨狀態(tài)為熱軋，其不銹鋼層化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1 所示。

2 裂紋成因分析

2.1 晶間腐蝕機(jī)理

目前敏化態(tài)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕主要通過貧鉻理論來解釋，奧氏體不銹鋼熱處理溫度處于敏化溫度區(qū)間（一般為450 ～850 ℃）時(shí)，過飽和的碳從奧氏體不銹鋼中析出，并與晶界的鉻結(jié)合成Cr23C6, 并沉淀在晶界。使晶界附近含鉻量明顯下降，形成“貧鉻區(qū)”。 鉻能提高不銹鋼的耐腐蝕性，當(dāng)晶界形成貧鉻區(qū)后，在腐蝕介質(zhì)作用下，晶界首先被腐蝕，形成晶間腐蝕[2]。

2.2 晶相組織分析

對循環(huán)氣分離器橫向裂紋及網(wǎng)狀裂紋位置進(jìn)行金相檢測，可以看到橫向裂紋及網(wǎng)狀裂紋為典型沿晶裂紋，并有大量晶粒剝落現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 裂紋處金相組織

2.3 介質(zhì)成分分析

循環(huán)氣分離器工作介質(zhì)為循環(huán)氣/甲醇液，循環(huán)氣主要成分為35% H2，20% CO2，40% CO，5% SO2，由于甲醇液中帶有少量水，而循環(huán)氣中的SO2等介質(zhì)可溶于水中，產(chǎn)生腐蝕性，而亞硫酸是易導(dǎo)致Cr-Ni奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感介質(zhì)。

2.4 熱處理分析

循環(huán)氣分離器在制造廠進(jìn)行了消應(yīng)力熱處理，熱處理記錄可見表2，對于 18-8 型不銹鋼而言，含碳量一定且加熱條件（溫度和時(shí)間）處在曲線包圍的影線區(qū)（如圖3 所示）時(shí)，鋼便具有晶間腐蝕傾向[3]；而根據(jù)熱處理記錄，循環(huán)氣分離器的不銹鋼復(fù)合鋼板熱處理?xiàng)l件正處于曲線包圍的影線區(qū)，因此不銹鋼覆層易產(chǎn)生晶間腐蝕。

表1 循環(huán)氣分離器化學(xué)成分和力學(xué)性能

表2 循環(huán)氣分離器熱處理試驗(yàn)報(bào)告

圖3 18-8 鋼的晶間腐蝕敏感溫度-時(shí)間曲線

2.5 綜合分析

循環(huán)氣分離器筒體及封頭的不銹鋼覆層含碳量分別為0.056 5%， 0.053 8%，而奧氏體不銹鋼中含碳量超過0.03%時(shí)，碳在鋼中便處于過飽和狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)場檢驗(yàn)情況進(jìn)行分析，該設(shè)備復(fù)合板在550 ℃左右進(jìn)行了消應(yīng)力處理，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼敏化；對介質(zhì)成分進(jìn)行化學(xué)分析后可知介質(zhì)具有腐蝕性；對金相組織進(jìn)行觀察后可知，晶體周圍腐蝕嚴(yán)重，因此該裂紋為典型的晶間腐蝕開裂。

3 解決措施

國內(nèi)復(fù)合鋼板供貨標(biāo)準(zhǔn)并未明確規(guī)定熱處理制度，并過分強(qiáng)調(diào)基層材料熱處理狀態(tài)，而忽略了覆材受到的影響。該設(shè)備基層鋼板的最佳消應(yīng)溫度為550 ℃左右，但該溫度處于覆材的腐蝕敏感區(qū)[4]。因此，既要保證基層的機(jī)械性能，又要保證覆層的耐腐蝕性能，同時(shí)還要考慮經(jīng)濟(jì)性，因此通過試驗(yàn)驗(yàn)證來選擇最合適的推薦材料十分有必要。

3.1 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕影響因素分析

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響因素比較復(fù)雜，根據(jù)晶間腐蝕機(jī)理，主要影響因素包括C 和Cr 含量、穩(wěn)定性元素、加熱溫度等，根據(jù)實(shí)際情況，選用代表性的因素進(jìn)行分析，然后選用合適的材料。

3.1.1 C含量

C 是不銹鋼敏化的關(guān)鍵元素, 其含量對晶間腐蝕有重大影響。含C 量為0.03%以上時(shí)，不銹鋼處于過飽和狀態(tài)，C 含量越大,碳原子析出的速率越快，在晶界生成碳化鉻數(shù)量也越多，導(dǎo)致腐蝕速率加快，材料產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向增大。因此，選用超低碳不銹鋼00Cr19Ni10 試樣（C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.03%）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1.2 穩(wěn)定性元素

Ti 等元素與C 的結(jié)合能力比Cr 強(qiáng)，結(jié)合后能夠生成穩(wěn)定的碳化物，可以避免在奧氏體中形成貧Cr區(qū)，這些元素稱為穩(wěn)定劑。

3.1.3 加熱溫度

當(dāng)加熱溫度小于450 ℃或大于850 ℃時(shí)，18-8奧氏體不銹鋼不會產(chǎn)生晶間腐蝕。因?yàn)楫?dāng)溫度小于450 ℃ 時(shí)，鋼中不會產(chǎn)生Cr23C6，當(dāng)溫度大于850 ℃ 時(shí)，由于擴(kuò)散能力增強(qiáng)，Cr 元素?cái)U(kuò)散至晶界與C 結(jié)合，因此不會在晶界形成貧Cr 區(qū)[5]。

3.2 試驗(yàn)與討論

3.2.1 試驗(yàn)方法

試樣為0Cr18Ni9 鋼試樣， 超低碳不銹鋼00Cr19Ni10 試樣以及含穩(wěn)定化元素 0Cr18Ni10Ti 試樣。試樣應(yīng)根據(jù)循環(huán)氣分離器熱處理工藝要求（如表2 所示），進(jìn)行敏化處理。試驗(yàn)方法應(yīng)選用GB/T 4334—2008 《金屬與合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中的A 方法。

3.2.2 結(jié)果與討論

三個試樣經(jīng)過腐蝕試驗(yàn)后，金相檢測得到的表面腐蝕形貌照片可見圖4 ～圖6。從照片可以看出0Cr18Ni9 晶間腐蝕嚴(yán)重，而低碳奧氏體不銹鋼00Cr19Ni10 和添加了穩(wěn)定性元素不銹鋼0Cr18Ni10Ti在同樣的試驗(yàn)條件下，晶間腐蝕相對不嚴(yán)重。

圖4 0Cr18Ni9金相組織

圖5 00Cr19Ni10金相組織

圖6 0Cr18Ni10Ti金相組織

4 結(jié)論

不銹鋼復(fù)合鋼板的覆層應(yīng)具有較好的耐蝕性，低成本的基層應(yīng)能滿足設(shè)備的強(qiáng)度要求。根據(jù)設(shè)備的使用要求來決定不銹鋼板是否進(jìn)行熱處理，有晶間腐蝕傾向的設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮介質(zhì)的特性。對于奧氏體不銹鋼復(fù)合鋼板,一般應(yīng)避免在其敏化溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行熱加工或熱處理,不能避開時(shí)應(yīng)該盡量選用超低碳材料或添加穩(wěn)定性元素。本次研究的設(shè)備材料在覆層敏化區(qū)間內(nèi)進(jìn)行了熱處理，因此鋼板產(chǎn)生了晶間腐蝕，導(dǎo)致覆層開裂。通過試驗(yàn)論證，該設(shè)備應(yīng)選用抗晶間腐蝕性能更好的00Cr19Ni10，0Cr18Ni9Ti等材料，或者熱處理溫度避開奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)間。