導(dǎo)熱油盤管失效分析

張麗麗 魏其凡

摘要：通過對(duì)導(dǎo)熱油盤管的化學(xué)成分、金相組織、裂紋形貌以及腐蝕產(chǎn)物等進(jìn)行分析，結(jié)果表明：導(dǎo)熱油盤管成分沒有偏析，應(yīng)力腐蝕開裂是導(dǎo)熱油盤管失效的主要原因。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱油盤管;失效分析;應(yīng)力腐蝕

中圖分類號(hào)：O346.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）10-0040-02

0? 引言

導(dǎo)熱油盤管一般采用304不銹鋼材質(zhì)，304不銹鋼耐酸堿腐蝕，廣泛應(yīng)用于各類高溫環(huán)境運(yùn)行設(shè)備。某公司的導(dǎo)熱油盤管在使用一段時(shí)間后出現(xiàn)裂紋，為了找出導(dǎo)熱油盤管裂紋的原因，該公司委托我們對(duì)導(dǎo)熱油盤管進(jìn)行失效分析，失效的導(dǎo)熱油盤管通過對(duì)其化學(xué)成分、金相組織、掃描電鏡和能譜儀對(duì)其裂紋和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。

應(yīng)力腐蝕開裂是指在腐蝕性環(huán)境中，受到拉應(yīng)力的合金由于裂紋的擴(kuò)展而發(fā)生失效的局部腐蝕之一。應(yīng)力腐蝕開裂形成條件：一是拉應(yīng)力，二是應(yīng)力腐蝕環(huán)境（含溫度、腐蝕性介質(zhì)）。應(yīng)力腐蝕開裂一般是無明顯宏觀變形且無任何征兆的情況下突然發(fā)生斷裂，因此，其是破壞性和危害性最大的局部腐蝕之一。在腐蝕過程中，若有微裂紋的擴(kuò)展速度比其他局部腐蝕速度快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。例如橋梁坍塌、飛機(jī)失事、油管爆炸、管道泄漏、石油化工等都造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

電感耦合等離子體光譜儀JY2000， 島津;碳硫分析儀CS800，德國(guó)Eltra;掃描電鏡S4800，日立掃描電鏡;能譜儀350;金相顯微鏡AXIO Imager A2m，德國(guó)蔡司Zeiss;立體顯微鏡stemi2000，德國(guó)蔡司Zeiss。

2? 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分分析

取一段被腐蝕導(dǎo)熱油盤管，對(duì)其化學(xué)成分進(jìn)行分析，由表1可知，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JIS G 4303-2012中的技術(shù)指標(biāo)要求，導(dǎo)熱油盤管成分符合304不銹鋼要求。

2.2 金相分析

由圖1可知，通過金相顯微鏡觀察導(dǎo)熱油盤管顯微組織為奧氏體和少量碳化物。點(diǎn)蝕由內(nèi)壁萌生，還有黑色點(diǎn)狀碳化物，在晶界含有碳化物，破壞了奧氏體的單相性，導(dǎo)致其抗點(diǎn)腐蝕性能大大降低。導(dǎo)熱油盤管中有空洞和裂紋，主裂紋主要是沿軸向擴(kuò)展，較多且粗大，二次裂紋走向不規(guī)則較隨意，裂紋主要是穿晶裂紋，與應(yīng)力腐蝕開裂一致，因此，應(yīng)力腐蝕開裂是其失效主要原因，應(yīng)力腐蝕降低了材料強(qiáng)度和性能。

2.3 裂紋斷口微觀形貌

采用掃描電鏡（SEM）對(duì)其裂紋斷口微觀形貌進(jìn)行分析，見圖2。由圖2可知，掃描電鏡對(duì)裂紋進(jìn)行形貌分析，導(dǎo)熱油盤管斷口表面高低不平且銹蝕嚴(yán)重，還含有大量空洞、蝕坑和裂紋，裂紋基本上沿著晶界向軸向擴(kuò)展，裂紋主要是穿晶裂紋，裂紋有很多分叉，裂紋“根須”細(xì)長(zhǎng)而帶有分支，裂紋斷口為典型脆性斷裂。脆性斷裂一般是沒有明顯塑性變化，突然發(fā)生斷裂，危害極大。

2.4 腐蝕產(chǎn)物分析

采用能譜儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。由圖3可知，腐蝕產(chǎn)物聚集在裂紋周圍及裂紋內(nèi)，腐蝕產(chǎn)物主要為氯化物、氧化物和硫化物。

應(yīng)力腐蝕開裂是金屬構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)作用下發(fā)生脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂必備的條件：一是要有拉應(yīng)力，不論是殘余應(yīng)力還是外加應(yīng)力，或者兩者兼而有之;二是腐蝕環(huán)境（高溫和腐蝕性介質(zhì)）存在，金屬材料在腐蝕環(huán)境中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

導(dǎo)熱油盤管為304不銹鋼，導(dǎo)熱油盤管應(yīng)力一方面是管道正壓和和負(fù)壓對(duì)管壁的壓力，另一方面是冷熱不長(zhǎng)時(shí)的軸向應(yīng)力，以及在導(dǎo)在焊接和加工成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，這三種力可以滿足導(dǎo)熱油盤管應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力的應(yīng)力條件。

在高溫腐蝕介質(zhì)（氯化物、硫化氫、硫酸、堿）等環(huán)境中304不銹鋼容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。由能譜儀譜圖可知，在高溫高壓下，腐蝕性離子（硫和氯）與304不銹鋼鈍化膜中的陽離子發(fā)生電化學(xué)腐蝕，形成點(diǎn)蝕孔洞。點(diǎn)蝕孔洞受到應(yīng)力集中作用從而破壞鈍化膜，加速了陽極腐蝕，多次反復(fù)作用下，裂紋縱深很深。因此，氯離子和硫離子是應(yīng)力腐蝕開裂的重要因素之一。此外，在不同部位存在供氧差異和介質(zhì)濃度差異，在被腐蝕的304不銹鋼板表面會(huì)形成許多腐蝕微電池化學(xué)反應(yīng)，造成腐蝕。因此，在應(yīng)力和腐蝕的作用下導(dǎo)致裂紋形成。在含氯化物環(huán)境下應(yīng)用，使用溫度為60℃就存在氯化物應(yīng)力腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。使用溫度越高，氯化物濃度越高，氯化物應(yīng)力腐蝕開裂風(fēng)險(xiǎn)越高。在高溫情況下，氯離子濃度只要達(dá)到1mg/L，就發(fā)生破裂。導(dǎo)熱油盤管使用溫度為280℃，含有腐蝕性化合物氯化物和硫化物，因此，證實(shí)裂紋產(chǎn)生是由應(yīng)力腐蝕開裂。

3? 結(jié)論

導(dǎo)熱油盤管成分屬于304不銹鋼，未發(fā)生偏析;盤管斷口高低不平，金相分析材料內(nèi)部有很多空洞和穿晶裂紋，樹枝狀裂紋，斷口微觀是脆性斷裂，穿晶裂紋穿晶裂紋;能譜分析表明產(chǎn)物中含有硫化物、氧化物和氯化物。綜上所述，導(dǎo)熱油盤管使用環(huán)境為高溫（280℃），還含有腐蝕物質(zhì)-氯化物和硫化物，因此，應(yīng)力腐蝕開裂是導(dǎo)熱油盤管失效的主要原因。

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