王 軍，靳 彤，馬一鳴，王 東，鄭啟文

(1.中國石油吉林石化公司,吉林 132022;2.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱 150028)

0 引言

雙相不銹鋼的優(yōu)越性，特別是其抗Cl-應(yīng)力腐蝕性能，僅在一定條件下才能充分顯現(xiàn)，超出相關(guān)條件，特別是高應(yīng)力下，即使像2507 (022Cr25Ni7Mo4N)這樣的超級(jí)雙相不銹鋼也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂問題[1-5]。本文通過對(duì)兩例加熱器進(jìn)行失效分析，探討高殘余應(yīng)力下2507雙相不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的特征、路徑與成因。

兩例失效均發(fā)生在乙丙橡膠裝置管殼式結(jié)構(gòu)的聚合物加熱器上(見圖1)。其中一例為采用2507雙相鋼制作換熱管、管板為復(fù)合結(jié)構(gòu)(?1410 mm×170 mm，16MnⅢ+2507)的B-E401加熱器，運(yùn)行80天后，即發(fā)生3處換熱管開裂與斷裂(斷口見圖2)；另一例為C-E402加熱器，其換熱管材質(zhì)亦為2507，與前例不同的是，它的管板采用堆焊結(jié)構(gòu)(?1460 mm×185 mm，16MnⅢ+2507)，運(yùn)行2年后，管口出現(xiàn)大面積嚴(yán)重開裂，見圖3。以上加熱器換熱管規(guī)格分別為?34 mm×2.6 mm和?25.4 mm×2.108 mm。

圖1 加熱器實(shí)物圖

圖2 B-E401換熱管斷裂

圖3 C-E402管板管口裂紋

上述加熱器管口環(huán)縫及管板堆焊采用GTAW焊接方法，管口環(huán)縫及管板耐蝕層用焊材ER2509，管板過渡層用焊材ER309MoL。

B-E401換熱管運(yùn)行溫度70～165 ℃，C-E402換熱管運(yùn)行溫度165～200 ℃，工作壓力均為2.74 MPa，管內(nèi)介質(zhì)為聚合液(膠液)，其中含少量氯化物(10～60 mg/L)；換熱器殼程介質(zhì)為蒸汽，工作溫度200～210 ℃，壓力1.4～1.5 MPa。

1 裂紋宏觀特征

(1)裂紋均起始于與含有少量Cl-的膠液相接觸的表面(管程側(cè))。

(2)B-E401發(fā)生在存在過脹缺陷的管板背面脹接與非脹接交界處(見圖4)，導(dǎo)致3根換熱管沿環(huán)向開裂與斷裂，斷口附近還存在環(huán)向表面小裂紋(見圖2)。C-E402裂紋出現(xiàn)在堆焊管板表面，有近半數(shù)管口出現(xiàn)裂紋，有的一處管口出現(xiàn)10余條裂紋。遠(yuǎn)離管口的堆焊層表面也查出不少裂紋，見圖3，5，6。

圖4 B-E401斷裂位置

圖6 C-E402堆焊層裂紋

(3)裂紋多源，多分枝，裂紋間隙中充滿腐蝕產(chǎn)物。

(4)兩例加熱器是在運(yùn)行不同時(shí)間后發(fā)現(xiàn)開裂與泄漏的，前者經(jīng)過80天，后者經(jīng)過2年時(shí)間。

(5)B-E401開裂與斷裂發(fā)生在管材上，而C-E402開裂發(fā)生在焊接區(qū)。

(6)裂紋區(qū)材質(zhì)經(jīng)化驗(yàn)，成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1。

表1 2507換熱管化學(xué)成分 wt%

由以上可知，上述裂紋具有應(yīng)力腐蝕開裂的特征，開裂似與介質(zhì)及殘余應(yīng)力(過脹或堆焊引起)密切相關(guān)。

2 裂紋微觀形貌

2.1 裂紋區(qū)材料組織

B-E401換熱管組織見圖7，為α+γ，帶狀分布。圖8為C-E402管口區(qū)構(gòu)成，環(huán)縫根部存在脹接間隙。管板耐蝕層、管口環(huán)焊縫組織分別見圖9，10。

圖7 B-E401換熱管組織

圖8 C-E402管口區(qū)

圖9 C-E402管板堆焊層

圖10 C-E402管口焊縫

焊接區(qū)(焊縫、熱影響區(qū))組織較粗，呈條塊狀或羽毛狀，有較多細(xì)碎、分散的二次奧氏體γ2；表面焊縫因無后續(xù)焊道熱循環(huán)作用，不均勻性更明顯。大多管口環(huán)縫鐵素體組織含量較多(可能因焊接過程中環(huán)縫冷卻速度較快所致)。但兩相總體較平衡(見表2)，兩相中合金元素分布有所差別(見表3)。管板過渡層組織為奧氏體(主體)+少量δ-鐵素體。

表2 各部位兩相組織含量測(cè)定結(jié)果 wt%

注：由鐵素體測(cè)定儀FERITSCOPE FMP30測(cè)定

表3 兩相主要合金元素分布 wt%

2.2 裂紋形貌

對(duì)于B-E401，裂紋僅局限于過脹區(qū)，換熱管開裂與斷裂模式一致。斷口附近表面裂紋形貌見圖11,12。裂紋兩側(cè)有分枝；多以穿晶形式擴(kuò)展，也有沿α/γ相界擴(kuò)展；裂紋張開較大(受管斷裂過程影響)，分支非常細(xì)，端部尖銳。

圖11 B-E401裂紋(中段)

對(duì)于C-E402，在雙相區(qū)(管板耐蝕層、管口環(huán)縫、換熱管區(qū))，裂紋形態(tài)基本一致。裂紋及周圍組織見圖13(a),圖13(b)。裂紋起始于α相或α/γ相界；大多沿α/γ相界擴(kuò)展，一些裂紋進(jìn)入并穿過α相，或進(jìn)入并穿過γ相；起裂與擴(kuò)展路徑上存在大量二次奧氏體γ2；裂紋多源、多分枝；裂紋間隙中充滿腐蝕產(chǎn)物。在過渡層，裂紋擴(kuò)展路徑或沿α/γ相界(沿晶)或穿過γ相(穿晶)，未見沿γ/γ相界的，見圖13(c)。

圖12 B-E401裂紋(尖端)

(a)C-E402堆焊層裂紋 (b)堆焊層裂紋(表面) (c)C-E402過渡層裂紋

圖13 C-E402裂紋形貌

3 斷口特征

B-E401斷裂管斷口見圖14，附近表面小裂紋斷口與之相似(見圖15)；C-E402裂紋斷口見圖16。開裂與斷裂從內(nèi)壁起始，起裂區(qū)有臺(tái)階，顯示其多源性；裂紋擴(kuò)展模式包括沿相界或穿晶解理，斷口上能看到二次開裂，且覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物。

圖14 B-E401斷裂管斷口 圖15 B-E401小裂紋斷口

(a)

4 能譜分析

乙丙橡膠加熱器及后續(xù)管線較長時(shí)間受氯化物應(yīng)力腐蝕裂紋困擾。因此，多次更換用材。兩臺(tái)加熱器介質(zhì)(膠液)中Cl-含量約60 mg/L(有時(shí)更多)，B-E401斷口試樣經(jīng)無水乙醇浸泡、清洗后,附著物中Cl-含量為0.33%～0.73%。C-E402斷口表面附著物中Cl-含量為0.59wt%～2.09wt%。

5 討論

5.1 兩例加熱器裂紋屬Cl-引發(fā)的應(yīng)力腐蝕裂紋

兩例加熱器失效主要是由管口區(qū)換熱管、周圍環(huán)縫及管板表面開裂、泄漏所引起。檢測(cè)、試驗(yàn)看到，裂紋均起始于與膠液(含有少量Cl-)接觸的一面；裂紋多源，多分支；開裂與斷裂呈脆性；裂紋間隙腐蝕產(chǎn)物中含有較多Cl-；裂紋發(fā)生在焊接區(qū)及其殘余應(yīng)力作用的區(qū)域(管口環(huán)縫、堆焊層)，或者發(fā)生在不當(dāng)變形引起的殘余應(yīng)力作用的區(qū)域(過脹區(qū))；加熱器運(yùn)行溫度較高(165，200 ℃)。上述特征顯示兩例換熱器所出現(xiàn)的裂紋應(yīng)屬Cl-引發(fā)的應(yīng)力腐蝕裂紋。

5.2 高殘余應(yīng)力是引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的關(guān)鍵因素

除介質(zhì)中含有Cl-并存在集聚、濃縮的條件外，加熱器局部處于高應(yīng)力狀態(tài)是引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂的關(guān)鍵因素。

B-E401加熱器少數(shù)管口存在過脹，這樣就把過度變形引起的殘余應(yīng)力[6]及應(yīng)力集中移至管板背面、換熱管脹接與非脹接交界處，而且使脹接引起的殘余應(yīng)力，與工作應(yīng)力、溫差應(yīng)力、應(yīng)力集中匯聚作用于此,從而引發(fā)高應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力腐蝕開裂。最后瞬斷區(qū)(剪切區(qū))所占比例較大，斷口附近環(huán)向表面小裂紋張口異常大(見圖11,12),也證實(shí)開裂處受力的嚴(yán)重程度。

C-E402加熱器管板表面堆焊至少3層耐蝕層，在大厚度(≥180 mm)管板上堆焊厚度至少6 mm的2507耐蝕層，其產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力峰值非常大，在整個(gè)堆焊層厚度范圍內(nèi)幾乎都是拉應(yīng)力，且最大應(yīng)力位于管板表面和近表面[7-8]。由此，C-E402加熱器管口除受工作載荷，還受表面堆焊及管口環(huán)縫引起的殘余應(yīng)力、溫差引起的波動(dòng)載荷、管口結(jié)構(gòu)幾何引起的應(yīng)力集中、脹接間隙的綜合作用。這樣大范圍、高峰值的應(yīng)力狀態(tài)，特別是高的焊接殘余應(yīng)力，是造成大面積應(yīng)力腐蝕開裂的主要驅(qū)動(dòng)力。

在B-E401中，高應(yīng)力發(fā)生在個(gè)別處(過脹區(qū))，開裂與斷裂也發(fā)生在相應(yīng)的個(gè)別處；在C-E402中，高的焊接殘余應(yīng)力遍布整個(gè)管板及管口，裂紋也相應(yīng)地遍及整個(gè)管板，證實(shí)高的殘余應(yīng)力在失效中起關(guān)鍵作用。

已有研究指出[1,2,9-11]：在較低應(yīng)力狀態(tài)下，在含有Cl-的中性溶液中，鐵素體的電位比奧氏體低、且較脆，鐵素體對(duì)奧氏體起著陰極保護(hù)作用；裂紋首先在鐵素體相或α/γ相界形成，并在鐵素體相內(nèi)或沿 α/γ相界以鐵素體側(cè)的溶解而擴(kuò)展；裂紋繞過島狀?yuàn)W氏體，奧氏體起著屏障作用，這就是雙相不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂具有更高抗力的重要原因。但在高應(yīng)力下，鐵素體相對(duì)奧氏體相所起的陰極保護(hù)作用以及奧氏體相對(duì)裂紋的屏障作用都將完全喪失，奧氏體相中也將出現(xiàn)不少陽極面，奧氏體相將因這些陽極面的溶解而產(chǎn)生裂紋，同時(shí)裂紋也可穿過奧氏體相而擴(kuò)展。因此，高應(yīng)力下，雙相不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感程度與奧氏體不銹鋼很難分高下，甚至從起裂到破斷的時(shí)間比奧氏體不銹鋼還短。

從上述金相、斷口可以看出，存在大范圍穿晶斷裂，裂紋明顯進(jìn)入并穿過奧氏體相，說明開裂區(qū)的確處于高應(yīng)力狀態(tài)。

5.3 材料與制造工藝的影響

管板堆焊與管口焊接過程中，多層焊一方面有利于鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變，有利于兩相組織的平衡[12-13]，但另一方面不可忽視的是，鐵素體相長大及其連續(xù)分布，特別是二次奧氏體γ2及σ相、CrN2等脆性相的析出，也會(huì)嚴(yán)重?fù)p害材料對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的抗力[2,14-18]。

由試驗(yàn)可知，兩例加熱器裂紋區(qū)材料(換熱管、管口環(huán)縫、管板表面)化學(xué)成分、兩相組織比例和主要合金元素在兩相中的分布基本符合相關(guān)技術(shù)要求，但裂紋不僅出現(xiàn)在焊接區(qū)，也出現(xiàn)在不受焊接影響的換熱管母材上，說明在高應(yīng)力下，即使是2507基材對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂也是敏感的，焊接引起的組織變化促進(jìn)或加劇應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生。

5.4 幾點(diǎn)思考

(1)兩項(xiàng)失效實(shí)例結(jié)果說明，應(yīng)用雙相不銹鋼，一定要考慮到其適用性和局限性。特別是在高應(yīng)力狀態(tài)下，雙相不銹鋼在抗氯離子應(yīng)力腐蝕方面的優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。

(2)嚴(yán)格控制介質(zhì)中Cl-含量是任何時(shí)候不可忽視的。

(3)選擇較低焊接殘余應(yīng)力的制造工藝，限制堆焊層厚度與層道數(shù)。

(4)耐蝕層堆焊后對(duì)管板進(jìn)行固溶處理，這既能降低殘余應(yīng)力水平，調(diào)整兩相形態(tài)及比例，又能使二次相重溶。

(5)錘擊消除殘余應(yīng)力的應(yīng)用。

(6)針對(duì)C-E402換熱器的具體運(yùn)行參數(shù)，管板耐蝕層采用何種工藝制造應(yīng)加以評(píng)估。

6 結(jié)論

(1)兩例加熱器失效都是由2507雙相不銹鋼構(gòu)件(換熱管、管口、管板)在高殘余應(yīng)力(由過脹與堆焊產(chǎn)生)下所發(fā)生的應(yīng)力腐蝕裂紋所引起。

(2)此類裂紋的顯著特點(diǎn)是：應(yīng)力是開裂的主導(dǎo)因素，組織變化起促進(jìn)與加劇作用；裂紋擴(kuò)展中可同時(shí)穿過α相與γ相。證實(shí)，在高應(yīng)力下，雙相不銹鋼中鐵素體相對(duì)奧氏體相的陰極保護(hù)作用及奧氏體相對(duì)裂紋的屏障作用已經(jīng)喪失。

(3)除嚴(yán)控介質(zhì)中Cl-含量外，降低殘余應(yīng)力水平，減少應(yīng)力集中，避免多種應(yīng)力匯聚作用于一處，是防止應(yīng)力腐蝕裂紋的重要舉措。

(4)管板多層堆焊存在組織不均及二次相析出，也將降低2507材料對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的抗力。