孫 濤

(天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心)

2008年底某焦化廠一臺蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)在運(yùn)行一年半后部分換熱管出現(xiàn)了裂紋，被迫停產(chǎn)。2010年焦化廠把開裂的SUS329J4L(2507)換熱管更換為SUS329J3L(2205)換熱管，但在使用5個月后換熱管又發(fā)生了開裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致蒸汽外漏，影響了煤調(diào)濕的順利運(yùn)行，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。筆者結(jié)合蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)換熱管的開裂情況，從宏觀和微觀兩個方面，通過金相分析、掃描電鏡以及X射線能譜分析等方法對開裂部位進(jìn)行了觀察和分析，并提出了防護(hù)建議。

1 干燥機(jī)運(yùn)行工況介紹

蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)換熱管1#管標(biāo)稱材料為2507，2#管標(biāo)稱材料為2205，規(guī)格均為φ141mm×5.0mm。蒸汽回轉(zhuǎn)干燥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)(管程/殼程)為：

設(shè)計壓力 1.6MPa/常壓

工作壓力 0.8～1.6MPa/-100～-500Pa

設(shè)計溫度 300/300℃

操作溫度 280～300/280～300℃

工作介質(zhì) 蒸汽/焦煤

2 試驗分析

2.1宏觀檢查及取樣情況

在干燥機(jī)開裂換熱管上取長度約200mm的兩段試件，1#管樣(材料為2507)和2#管樣(材料為2205)如圖1所示?？梢钥闯?#管直管段處發(fā)現(xiàn)不規(guī)則穿孔一處(面積約60cm2)，孔洞周邊呈明顯外部介質(zhì)沖刷磨損痕跡，孔洞一側(cè)有貫穿的軸向宏觀裂紋，裂紋由外壁至內(nèi)壁擴(kuò)展,附近未見塑性變形，周圍有明顯的腐蝕坑。2#管有多條與軸向基本平行的宏觀裂紋。換熱管內(nèi)外表面無附著物。分別在1#管上取A、B、C 3塊樣品；在2#管上取D、E兩塊樣品進(jìn)行分析檢查。

a. 1#管樣(2507)

b. 2#管樣(2205)

2.2化學(xué)成分分析

構(gòu)成材料的主要化學(xué)元素含量對材料的性能會產(chǎn)生顯著的影響[1]。采用Spectrolab直讀光譜儀對兩種不同材料的開裂換熱管進(jìn)行化學(xué)成分分析(表1、2)，結(jié)果顯示，兩種開裂換熱管的化學(xué)成分均符合ASTM A 790的要求。

表1 開裂2507管化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)值對比 wt%

表2 開裂2205管化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)值對比 wt%

2.3力學(xué)性能測試

在開裂換熱管完好部位處取樣進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果見表3、4?？梢钥闯?，2507換熱管強(qiáng)度和斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)值；2205換熱管強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 開裂2507換熱管力學(xué)性能

表4 開裂2205換熱管力學(xué)性能

2.4金相分析

對樣品A的徑向和軸向截面進(jìn)行磨制、拋光和氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕后，金相顯微組織如圖2所示?？梢钥闯?，徑向截面金相組織為奧氏體+鐵素體，主裂紋由外壁向內(nèi)壁沿晶擴(kuò)展，裂紋附近的鐵素體含量平均值為50.2%；軸向截面金相組織沿軋制方向過度拉長變形,可見較密集的晶間微裂紋。在主裂紋上存在次裂紋，且呈樹枝狀分布；裂紋貫穿鐵素體-奧氏體相界；顯微組織未發(fā)現(xiàn)有害的第二相。對樣品D軸向截面觀察(圖3)可以看出，金相組織為奧氏體+鐵素體，裂紋呈樹枝狀由外壁向內(nèi)壁擴(kuò)展，貫穿奧氏體與鐵素體相界，母材內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)晶間微裂紋，組織中未發(fā)現(xiàn)有害的第二相。

徑向截面 ×400 軸向截面 ×400

圖2 樣品A顯微組織

圖3 樣品D顯微組織

2.5掃描電子顯微鏡及能譜分析

用掃描電子顯微鏡對樣品B(2507)進(jìn)行清洗前、后的斷口形貌觀察(圖4)，可見清洗前斷口表面有疏松附著物，清洗后斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征，能譜分析數(shù)據(jù)顯示樣品B附著物為碳化物，S含量很高。樣品C內(nèi)外表面觀察到明顯晶間腐蝕形貌(圖5)，晶粒脫落后形成凹坑，能譜分析表明凹坑內(nèi)Cl-含量很高。樣品E斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征(圖6)，外表面可觀察到明顯晶間腐蝕形態(tài)，晶粒脫落后形成凹坑，能譜分析表明凹坑內(nèi)S、Cl-含量較高。

a. 清洗前 b. 清洗后

a. 內(nèi)表面 b. 外表面

2.6材料性能對比

2507和2205都屬于雙相不銹鋼，該類鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，同時還保持有鐵素體不銹鋼的475℃脆性以及導(dǎo)熱系數(shù)高、具有超塑性等特點(diǎn)。與奧氏體不銹鋼相比，強(qiáng)度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性有明顯提高。Cl-具有應(yīng)力裂尖及腐蝕坑等處擴(kuò)散聚集的特性，會導(dǎo)致裂尖鈍化膜的破壞和基體金屬的快速溶解[2]。

a. 斷口 b.外表面

圖6 樣品E表面形貌

3 結(jié)束語

2507換熱管母材中存在密集平行于軸向的微裂紋，是形成開裂的主要原因。另外，煤粉對管外壁沖刷磨損、內(nèi)外表面滯留并不斷濃縮的S、Cl-、加工過程中的殘余應(yīng)力、換熱管內(nèi)介質(zhì)工作時對管壁產(chǎn)生的環(huán)向薄膜應(yīng)力及干燥機(jī)開、停車過程中換熱管內(nèi)外的熱應(yīng)力等綜合因素導(dǎo)致晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。2205換熱管在濃縮的S、 Cl-環(huán)境下產(chǎn)生晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。筆者建議選擇2507時改善換熱管的成型工藝，在成分設(shè)計中增加Cr、Mo、N元素的含量，并控制環(huán)境因素，盡可能減少煤粉中S、Cl-的含量，提高換熱管內(nèi)蒸汽的品質(zhì)以降低Cl-的含量。

[1] 盧德銀.螺桿鉆具傳動軸殼體開裂原因分析[J]．金屬熱處理，2003，28(5):57～59．

[2] 趙志農(nóng).腐蝕失效分析案例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.