蔣橋紅，巴發(fā)海

(上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)

0 引 言

STC/H2輻射式電加熱器采用電阻式電熱元件輻射加熱方式，通過(guò)加熱殼體內(nèi)的螺旋管來(lái)加熱管內(nèi)氣體介質(zhì)；這些氣體介質(zhì)通常為氯硅烷和氫氣等危險(xiǎn)性氣體。某新能源公司STC/H2輻射式電加熱器于2017年7月正式投用，2019年2月運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)加熱器螺旋管部位有氯硅烷泄漏。該螺旋管材料為UNS N08810合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐熱疲勞和耐高溫沖擊性能，且固溶處理后的抗壓力破裂特性?xún)?yōu)異[1]，廣泛應(yīng)用于油氣管道、蒸汽動(dòng)力渦輪、熱交換器等在高溫腐蝕環(huán)境中服役的零件和設(shè)備[2]。UNS N08810合金換熱管道開(kāi)裂也是目前熱交換器運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的故障之一[3-6]，研究其開(kāi)裂原因具有重要意義。為了找到UNS N08810合金螺旋管泄露原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

該UNS N08810合金螺旋管全長(zhǎng)17 m，高3 m，宏觀形貌如圖1(a)所示。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其上存在多道裂紋，裂紋位于焊縫附近(圖中白線所示)。由圖1(b)可知，裂紋長(zhǎng)約90 mm，沿周向分布，基本與焊縫平行。將裂紋人工打開(kāi)，可見(jiàn)裂紋面較為粗糙，呈黑色，無(wú)金屬光澤和明顯塑性變形，如圖1(c)所示，說(shuō)明發(fā)生了高溫氧化和宏觀脆性開(kāi)裂。

圖1 開(kāi)裂螺旋管、裂紋及人工打開(kāi)后裂紋面宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分

采用CS844型紅外碳硫分析儀、723PC型可見(jiàn)分光光度計(jì)和iCAP6300型等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)開(kāi)裂螺旋管進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知，開(kāi)裂螺旋管的化學(xué)成分符合ASME SB-407-2013對(duì)N08810合金的化學(xué)成分要求，說(shuō)明螺旋管的化學(xué)成分合格。

表1 開(kāi)裂螺旋管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 低倍組織

截取帶裂紋螺旋管剖面試樣，經(jīng)磨床磨光后使用硫酸銅鹽酸溶液(10 g CuSO4+50 mL HCl+50 mL H2O)擦拭后觀察低倍組織。由圖2可見(jiàn)，裂紋起源于外壁焊接熱影響區(qū)，擴(kuò)展方向與管壁大致垂直，無(wú)其他明顯低倍組織缺陷。

圖2 開(kāi)裂螺旋管低倍組織

1.4 顯微組織及微區(qū)成分

圖3 螺旋管裂紋附近顯微組織

在螺旋管裂紋末端及遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的母材上截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后用王水進(jìn)行腐蝕，通過(guò)ZEISS Observer Z1型光學(xué)顯微鏡和ZEISS Sigma 500型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。由圖3和圖4可以看出：裂紋附近顯微組織由等軸奧氏體+沿晶界連續(xù)分布的片線狀碳化物組成，部分碳化物附近存在空洞和由空洞串聯(lián)形成的微裂紋；裂紋附近的晶界與正常晶界相比較粗且顏色較深；裂紋沿晶界擴(kuò)展，其上存在黑色產(chǎn)物，且該產(chǎn)物存在分層現(xiàn)象，即兩層深色物質(zhì)之間分布著白色物質(zhì)；母材組織亦為奧氏體+沿晶界分布的碳化物，但晶界碳化物周?chē)匆?jiàn)異常。

利用掃描電鏡附帶的能譜儀(EDS)對(duì)裂紋上的產(chǎn)物進(jìn)行成分分析。由圖5和表2可知：深色物質(zhì)(位置1)的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)20%，應(yīng)為氧化產(chǎn)物；淺色位置(位置2)處的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，僅為1.1%，遠(yuǎn)低于基體(位置3)的，說(shuō)明此處為貧鉻區(qū)。

圖4 螺旋管裂紋附近及母材SEM形貌

圖5 螺旋管裂紋的SEM形貌及EDS分析位置

表2 圖5中不同位置處的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.5 微觀形貌

采用ZEISS Sigma 500型掃描電子顯微鏡觀察人工打開(kāi)后的裂紋面和剖面形貌。由圖6可以看出：裂紋擴(kuò)展形式為沿晶擴(kuò)展，與顯微組織分析結(jié)果一致；裂紋面完全被疏松多孔的產(chǎn)物覆蓋，觀察不到金屬基體，說(shuō)明氧化嚴(yán)重。螺旋管外壁表面也存在氧化物，氧化物沿晶界滲入到基體內(nèi)部，如圖7所示。

圖6 人工打開(kāi)后裂紋面的SEM形貌

圖7 螺旋管裂紋剖面SEM形貌

2 開(kāi)裂原因分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：該UNS N08810合金螺旋管的化學(xué)成分符合技術(shù)要求；螺旋管發(fā)生沿晶脆性開(kāi)裂，裂紋表面氧化嚴(yán)重，開(kāi)裂區(qū)附近的晶界碳化物周?chē)梢?jiàn)空洞以及由空洞串聯(lián)形成的裂紋，說(shuō)明材料發(fā)生了高溫蠕變。

在一定溫度下，原本固溶于金屬基體中的碳元素會(huì)以碳化物的形式析出。當(dāng)溫度在700 ℃以上、固溶溫度以下時(shí)，碳化物在晶內(nèi)和晶界呈點(diǎn)狀析出，對(duì)材料性能影響較小；溫度降至650 ℃以下，碳化物呈片線狀在晶界析出，在600 ℃附近時(shí)沉淀速度最快[3]。UNS N08810合金中的主要合金元素為鉻和鎳，其中鉻為強(qiáng)碳化物形成元素，易形成碳化鉻析出，其最佳使用溫度在750 ℃左右。而螺旋管服役時(shí)進(jìn)出口溫度分別為420，550 ℃，管外溫度為600 ℃，正處于沉淀速度最快的敏化溫度區(qū)；長(zhǎng)時(shí)間處于該溫度下時(shí)，碳化鉻以片線狀沿晶界連續(xù)析出，造成晶界弱化，使得裂紋更易萌生。同時(shí)，碳化鉻的析出導(dǎo)致晶界附近形成貧鉻區(qū)，而高溫氧化主要發(fā)生在合金貧鉻部位[7]，因此開(kāi)裂區(qū)域出現(xiàn)氧化物分層排布的現(xiàn)象。

高溫氧化現(xiàn)象是蠕變斷裂的顯著特征之一。蠕變斷裂分為穿晶斷裂和沿晶斷裂兩種。該螺旋管蠕變斷裂前幾乎無(wú)塑性變形，損傷表現(xiàn)為沿晶裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展。沿晶裂紋有兩種形成機(jī)制：一是楔形裂紋，產(chǎn)生于三叉晶界處；二是晶界空洞，產(chǎn)生于晶界臺(tái)階、第二相等不連續(xù)處[8]。由于沿晶界分布的碳化物使晶界滑動(dòng)受阻，導(dǎo)致應(yīng)力集中，微小空洞首先在碳化物和相鄰晶粒的界面上形成[9]；微小空洞的存在將極大地降低構(gòu)件的應(yīng)力持久強(qiáng)度和壽命[10]。該螺旋管的開(kāi)裂形式即屬于晶界空洞機(jī)制。螺旋管采用焊接成形，尺寸巨大，在自身重力影響下存在一定的彎曲應(yīng)力，加上工作時(shí)氣體流動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力及焊接殘余應(yīng)力等作用，碳化物周?chē)奈⑿】斩粗饾u擴(kuò)展長(zhǎng)大，最終形成晶界裂紋。

3 結(jié)論及建議

(1) 該UNS N08810合金螺旋管發(fā)生了蠕變開(kāi)裂，開(kāi)裂形式為脆性沿晶開(kāi)裂。在服役溫度較低、抗蠕變能力較弱的焊接熱影響區(qū)中碳化物沿晶界呈片線狀析出，使得附近形成貧鉻區(qū)，碳化物周?chē)霈F(xiàn)較多空洞缺陷；在彎曲應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力等的綜合作用下，空洞逐漸擴(kuò)展長(zhǎng)大，最終形成裂紋。

(2) 建議采用最佳服役溫度在600 ℃左右的碳含量更低的N08800合金來(lái)制造該加熱器螺旋管。