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        304不銹鋼換熱管在氫氣、循環(huán)水介質(zhì)中開裂分析

        2018-09-10 07:22:44魏海旺
        中國化工貿(mào)易·上旬刊 2018年9期
        關(guān)鍵詞:氫脆

        魏海旺

        摘 要:為了找出換熱管開裂的原因,通過對換熱管進行了宏觀檢查,斷口金相檢驗,斷面電鏡掃描,腐蝕產(chǎn)物能譜分析及機械性能試驗,結(jié)果顯示裂紋由管壁內(nèi)、外表面啟裂,向內(nèi)延伸;硬度超標(biāo);晶界有大量蝕坑;能譜分析Cl含量較高。結(jié)論:管內(nèi)局部酸性溶液腐蝕導(dǎo)致不銹鋼氧化膜破裂,膜破處滲氫導(dǎo)致氫脆,誘發(fā)Cl離子應(yīng)力腐蝕開裂。

        關(guān)鍵詞:酸性溶液腐蝕;氫脆;應(yīng)力腐蝕開裂

        1 引言

        化工企業(yè)中奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂(SCC)比較常見,但對奧氏體不銹鋼氫脆(HE)認(rèn)識不足。與碳鋼、低合金鋼相比,不銹鋼難以發(fā)生由腐蝕引起的氫脆,但在高壓氫氣環(huán)境下不銹鋼也存在氫脆的危險[1]。雖然奧氏體不銹鋼在氫環(huán)境中不能產(chǎn)生明顯的氫脆現(xiàn)象,但是卻不能忽視其在長期氫環(huán)境下的脆化。充氫后304L不銹鋼塑性明顯下降,屈服強度σ0.2和抗拉強度σb有不同程度的提高[2]。304L不銹鋼陰極充氫,只有在超過某一臨界應(yīng)力(σc)作用下才會發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變[2]。由于304不銹鋼屬于非穩(wěn)定型不銹鋼,在氫氣中形變,或在電解充氫中形變也可能發(fā)生氫致滯后斷裂[3]。本文的目的在于探討低于115℃高壓氫氣介質(zhì)工況下,304不銹鋼發(fā)生氫致滯后斷裂的可能性。

        2 方法

        2.1 宏觀檢查

        取2根開裂換熱管段進行表面檢查。

        2.2 樣管1金相組織檢查

        按《金屬顯微組織檢驗方法》[4]對樣管1軸向截面取樣進行顯微組織檢驗,對樣管1環(huán)向截面金相檢驗。

        2.3 電鏡掃描

        打開樣管1環(huán)向裂紋進行斷口形貌電鏡掃描。

        2.4 能譜分析

        對樣管1斷口表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析。

        2.5 化學(xué)成分分析

        對樣管1取樣進行化學(xué)成分分析。

        2.6 力學(xué)性能試驗

        對樣管1取樣進行表面硬度檢測。

        3 結(jié)果

        3.1 宏觀檢查結(jié)果

        2根有裂紋換熱管,一根為環(huán)向裂紋,一根為軸向約45度角裂紋,內(nèi)表面均有腐蝕淺坑。

        3.2 電鏡掃描結(jié)果

        斷口表面有淡黃色腐蝕的痕跡,脆性斷口,斷口表面附著有少量腐蝕產(chǎn)物,如圖3所示。斷口為準(zhǔn)解理特征,可以觀察到斷口表面存在較多撕裂楞,同時存在少量二次裂紋。

        3.4 化學(xué)成分分析結(jié)果

        見表3。材料化學(xué)成分符合《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》[5]化學(xué)成分的要求。

        3.5 力學(xué)性能試驗結(jié)果

        見表4。硬度值偏高,不符合《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》[5]要求。

        4 討論

        4.1 管內(nèi)壁淺表蝕坑分析

        管內(nèi)介質(zhì)氫氣含有微量水、CO2、硫化物。氫氣進料溫度115℃,換熱后在距離管板150 mm至200 mm位置水分凝結(jié)為液態(tài)水滴,吸收二氧化碳、硫化物形成局部酸性環(huán)境,是造成金屬表面氧化膜破裂的因素。工藝操作的波動對控制酸性氣體的含量產(chǎn)生重要影響。

        4.2 管外壁啟裂機理分析

        樣管1裂紋位置在換熱器中氫氣入口附近,金屬壁溫達到60℃以上,循環(huán)水氯離子含量800 ppm,具有應(yīng)力腐蝕開裂可能。腐蝕產(chǎn)物極高的氯元素含量表明有氯離子腐蝕存在。應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力遠(yuǎn)小于氫致開裂的臨界應(yīng)力,因此,應(yīng)力腐蝕開裂不會誘發(fā)氫致開裂。但氫脆導(dǎo)致的局部應(yīng)力升高會誘發(fā)氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

        4.3 結(jié)論

        換熱管內(nèi)壁局部酸性溶液腐蝕導(dǎo)致表面氧化膜破裂,由此發(fā)生管壁內(nèi)部滲氫。滲氫誘發(fā)局部連片晶粒出現(xiàn)條狀馬氏體組織,材質(zhì)硬度升高,韌性下降。在晶界附近有碳原子與氫結(jié)合,形成蝕坑及氣孔,內(nèi)部應(yīng)力升高,導(dǎo)致氫致開裂。氫致開裂后未開裂局部應(yīng)力升高誘發(fā)氯離子應(yīng)力腐蝕開裂。

        參考文獻:

        [1]余存燁.奧氏體不銹鋼的氫脆[J].全面腐蝕控制,2015, 29(08):11-15.

        [2]張恒華,魏紹琴,姚玉琴,林實.氫致304L奧氏體不銹鋼脆斷機理的研究[J].材料科學(xué)與工藝,1993,1(2):15-21.

        [3]徐躍,趙竹第,劉艷華,于文學(xué),鄭偉濤.氫對非穩(wěn)定不銹鋼的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報(理學(xué)版),2006,44(6):980-983.

        [4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.金屬顯微組織檢驗方法:GB/T13298-2015[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

        [5]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管:GB/T13296-2007[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

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