關(guān)鵬濤， 張明濤， 裘浩田， 潘薛臣， 陸 堅(jiān)

(1.寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院， 浙江 寧波 315000；2.臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 臺(tái)州 318000； 3.寧波市計(jì)量測(cè)試研究院， 浙江 寧波 315000)

高溫高壓染色機(jī)是印染紡織行業(yè)的主要設(shè)備之一，主要分為噴射溢流型(L型、O型和U型)機(jī)、松式染色機(jī)、立式染色機(jī)及橫開(kāi)門(mén)式染色機(jī)。目前，在用各類(lèi)染色機(jī)中，L型機(jī)是印染紡織使用最普遍的設(shè)備，占比80%以上[1]。企業(yè)為了提高印染質(zhì)量，在染液中加入工業(yè)鹽，使得染液中含有大量的氯離子，導(dǎo)致染色機(jī)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕破壞[2-3]。染缸應(yīng)力腐蝕破壞往往在沒(méi)有任何明顯變形和預(yù)兆情況下發(fā)生，引起染缸突然爆炸，造成巨大損失和人員傷亡。多數(shù)研究是針對(duì)不銹鋼材料本身的腐蝕研究，針對(duì)染色機(jī)換熱器使用過(guò)程中封頭出現(xiàn)橫向裂紋失效的研究相對(duì)較少。課題組通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的高溫高壓染色機(jī)換熱器封頭開(kāi)裂缺陷進(jìn)行詳細(xì)分析，采用無(wú)損檢測(cè)、理化分析方法對(duì)封頭缺陷位置進(jìn)行全面檢驗(yàn)；根據(jù)分析結(jié)果，提出一些合理性的建議，為壓力容器制造、檢驗(yàn)以及使用過(guò)程提供參考。

1 設(shè)備情況

2021年8月，對(duì)某企業(yè)的近20臺(tái)高溫高壓染色機(jī)進(jìn)行首次檢驗(yàn)，根據(jù)資料顯示該批設(shè)備的制造日期為2018年8—10月。高溫高壓染色機(jī)殼程設(shè)計(jì)壓力為0.60 MPa，設(shè)計(jì)溫度為164 ℃；管程設(shè)計(jì)壓力為0.40 MPa，設(shè)計(jì)溫度為150 ℃。殼程工作介質(zhì)為飽和水蒸氣，管程工作介質(zhì)為染色液；換熱器筒身內(nèi)徑為450 mm，長(zhǎng)2 200 mm，壁厚為5.0 mm，封頭壁厚為4 mm；材質(zhì)為S31603。檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該批設(shè)備中的7臺(tái)換熱器靠近機(jī)頭一側(cè)的封頭有明顯的泄漏痕跡，如圖1所示為其中一臺(tái)換熱器封頭的泄漏部位。隨后對(duì)這臺(tái)換熱器封頭泄漏原因進(jìn)一步分析。

圖1 換熱器封頭泄漏部位Figure 1 Leakage part of heat exchanger head

2 分析

2.1 宏觀、無(wú)損檢測(cè)

經(jīng)宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，封頭有明顯的泄漏痕跡，外表面封頭的折邊處均勻分布著細(xì)長(zhǎng)條形機(jī)械劃痕，將封頭拆卸之后發(fā)現(xiàn)同一部位的內(nèi)表面同樣均勻分布著機(jī)械劃痕，如圖2所示。經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)靠近染缸機(jī)頭一側(cè)的封頭折邊處外表面存在20處橫向裂紋，裂紋尺寸如表1所示。圖3為裂紋宏觀形貌，可以看出，裂紋呈直線狀，與機(jī)械劃痕重合，裂紋尖端是在遠(yuǎn)離法蘭與封頭的角焊縫方向。由此可以初步判斷裂紋是在靠近角焊縫的位置起裂，且與機(jī)械劃痕有關(guān)；內(nèi)表面由于腐蝕坑原因無(wú)法辨識(shí)。對(duì)比同一處內(nèi)、外表面裂紋長(zhǎng)度，可以明顯發(fā)現(xiàn)外表面裂紋長(zhǎng)度比內(nèi)表面長(zhǎng)。

圖2 封頭2個(gè)表面宏觀情況Figure 2 Macroscopic condition of inside and outside surface of head

圖3 裂紋宏觀形貌Figure 3 Macroscopic morphology of crack

表1 封頭外表面折邊處裂紋尺寸

2.2 硬度測(cè)定

對(duì)封頭內(nèi)、外表面進(jìn)行硬度測(cè)定，測(cè)定點(diǎn)位置如圖4所示，沿封頭內(nèi)、外表面的同一輪廓線上由直邊段到橢圓面測(cè)定。測(cè)定結(jié)果如圖5所示，內(nèi)、外表面硬度值沿輪廓線由直邊段到橢圓面逐漸降低，內(nèi)、外表面硬度值在各個(gè)位置的相差不大，硬度值的最大值均處在直邊段區(qū)內(nèi)，且最大值是最小值約2倍。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是由于不銹鋼材料具有較高的塑性，在封頭冷加工過(guò)程中，很容易出現(xiàn)加工硬化。同時(shí)，在冷加工變形的時(shí)候，由于發(fā)生冷狀態(tài)下的塑性變形，在變形較大部位產(chǎn)生較多殘余內(nèi)應(yīng)力。這種殘余應(yīng)力保留在金屬內(nèi)部，有殘余應(yīng)力的位置，硬度會(huì)提高。由此可以反映出在封頭直邊段及過(guò)渡區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力[4]。

圖4 封頭硬度與鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)點(diǎn)位置Figure 4 Location of head hardness and ferritic content detection point

圖5 封頭2個(gè)表面硬度沿輪廓線的變化Figure 5 Change of two surface hardness of head along contour line

2.3 染液成分分析

對(duì)染液進(jìn)行成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為179 mg/L。設(shè)計(jì)資料中的技術(shù)要求規(guī)定：染料和染料輔助劑中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤25 mg/L。由此可以看出，設(shè)備中的染液的氯離子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)定值。同時(shí)檢驗(yàn)人員在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備旁邊堆放著工業(yè)鹽，同樣可以初步判斷染液中的氯離子大部分來(lái)自于這些工業(yè)鹽。而奧氏體不銹鋼對(duì)含有氯離子的介質(zhì)特別敏感，這是由于氯離子尺寸很小，可以輕易地穿過(guò)不銹鋼表面鈍化膜的縫隙，與陽(yáng)離子結(jié)合形成可溶性氯化物，最終導(dǎo)致鈍化膜遭受破壞，裸露出基體金屬。金屬在腐蝕介質(zhì)中，作為腐蝕電池的陽(yáng)極，發(fā)生陽(yáng)極溶解，在此區(qū)域的腐蝕進(jìn)一步加深，形成腐蝕坑[5-6]。如圖6所示，可以明顯看出，該設(shè)備封頭內(nèi)表面鈍化膜已經(jīng)遭到破壞，形成許多腐蝕坑。

圖6 封頭內(nèi)表面腐蝕坑Figure 6 Corrosion pit on inner surface of head

同時(shí)，在封頭直邊段焊縫部位以及外表面角焊縫的焊接痕跡附近的腐蝕情況明顯比其他部位嚴(yán)重，在這些位置附近已經(jīng)產(chǎn)生裂紋。這是由于在封頭直邊段及過(guò)渡區(qū)域存在較大的殘余應(yīng)力，腐蝕坑在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，使得染色機(jī)的封頭內(nèi)表面產(chǎn)生裂紋。

2.4 材質(zhì)成分分析

根據(jù)腐蝕情況，對(duì)封頭材質(zhì)是否是S316產(chǎn)生懷疑。對(duì)封頭內(nèi)、外表面進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果如表2所示，可以看出基本化學(xué)成分符合S321的要求，封頭在制造過(guò)程中選材不符合設(shè)計(jì)要求。S316與S321雖然都屬于奧氏體不銹鋼，但還是有一些區(qū)別。S321不銹鋼由于在S304基礎(chǔ)上加入Ti，具有較好的耐晶界腐蝕性。S316L不銹鋼由于在S304基礎(chǔ)上添加Mo，故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強(qiáng)度特別好，可在苛酷的條件下使用；同時(shí)其加工硬化性優(yōu)(無(wú)磁性)，具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和冷成型性及良好的低溫性能。在添加2%的Mo時(shí)，具有良好的耐還原性介質(zhì)和耐點(diǎn)蝕能力[7]。

表2 封頭材質(zhì)的化學(xué)成分

2.4 金相分析

選取封頭一處裂紋取樣分別對(duì)外表面、內(nèi)表面以及厚度方向截面進(jìn)行金相分析。裂紋宏觀形貌，如圖7所示。從圖7可以看出，外表面裂紋呈樹(shù)枝狀，且?guī)в蟹种В粌?nèi)表面并無(wú)分支。由厚度方向的裂紋宏觀形貌可以看出裂紋起源于封頭內(nèi)表面腐蝕坑，裂紋同樣呈樹(shù)枝狀，帶有分支。圖8～10所示為封頭外表面、內(nèi)表面以及厚度方向裂紋在放大100倍和放大500倍下的金相組織圖。圖8(a)、9(a)和10(a)中的橢圓圈部分表示放大500倍時(shí)金相組織圖的位置?？梢钥闯?，外表面、內(nèi)表面以及厚度方向裂紋均是穿晶擴(kuò)展，同時(shí)在3個(gè)位置發(fā)現(xiàn)由許多尺寸大致相同的且?guī)缀跗叫械募?xì)條結(jié)合起來(lái)的組織，這些組織在厚度方向分布最多。裂紋在這些組織內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，大致平行于細(xì)條。根據(jù)組織形態(tài)可以判斷出由細(xì)條結(jié)合起來(lái)的組織是馬氏體。奧氏體不銹鋼在冷加工過(guò)程中，因發(fā)生塑性變形，奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織[8-9]。對(duì)于封頭，形變最嚴(yán)重的位置為直邊段厚度方向，因此在厚度方向馬氏體分布較多。

圖7 裂紋宏觀形貌Figure 7 Macroscopic morphology of crack

圖8 封頭外表面裂紋金相組織Figure 8 Metallographic structure of crack on outer surface of head

由于奧氏體為順磁性組織不具有鐵磁性，但形變馬氏體具有鐵磁性，因此可以通過(guò)測(cè)定組織中鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)得到形變馬氏體的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)，而采用鐵素體測(cè)量?jī)x可以獲得鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)[9]。如圖11所示，內(nèi)、外表面鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿輪廓線的變化情況基本一致，即由直邊段到橢圓面逐漸降低。直邊段位置的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，橢圓面最低。外表面最高達(dá)到23.3%，最低為0.55%；內(nèi)表面最高達(dá)到12.6%，最低為0.56%。外表面鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值是內(nèi)表面的2倍左右，最小值基本一致。這些數(shù)據(jù)反映出直邊段位置的馬氏體組織體積分?jǐn)?shù)較高，外表面馬氏體體積分?jǐn)?shù)最大值是內(nèi)表面的2倍左右。與同一位置的硬度變化情況基本一致。應(yīng)力腐蝕敏感性與形變馬氏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)有著密切的聯(lián)系，形變馬氏體能夠提高奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕和點(diǎn)腐蝕敏感性[10]。由于腐蝕坑處裂紋沿厚度方向裂穿之后染液流出，內(nèi)、外表面在相同的介質(zhì)環(huán)境下，外表面的馬氏體體積分?jǐn)?shù)和硬度都比較高，造成外表面的裂紋擴(kuò)展速率比內(nèi)表面快。

圖11 封頭2個(gè)表面鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿輪廓線的變化Figure 11 Variation of ferrite content on two surface of head along contour line

因此，封頭在冷加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制形變馬氏體的體積分?jǐn)?shù)[11]。但是，在標(biāo)準(zhǔn)GB150—2011中未對(duì)奧氏體不銹鋼鐵冷加工后的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行限定。因此建議在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中增加對(duì)奧氏體不銹鋼鐵冷加工后的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)限定，以避免形變馬氏體超標(biāo)。

結(jié)合以上分析，可以得出：高溫高壓染色機(jī)換熱器封頭開(kāi)裂是由于采用抗點(diǎn)腐蝕較弱的S321材料，在冷加工過(guò)程中造成內(nèi)、外表面機(jī)械劃痕以及形變馬氏體組織未得到及時(shí)處理，在高溫、殘余應(yīng)力以及氯離子環(huán)境共同作用下形成的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

圖9 封頭內(nèi)表面裂紋金相組織Figure 9 Metallographic structure of crack on inner surface of head

圖10 封頭厚度方向裂紋金相組織Figure 10 Metallographic structure of crack in head thickness direction

3 結(jié)論

課題組對(duì)某企業(yè)的近20臺(tái)高溫高壓染色機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的高溫高壓染色機(jī)換熱器封頭開(kāi)裂缺陷進(jìn)行分析研究，得出以下結(jié)論：

1) 換熱器封頭開(kāi)裂是由于采用抗點(diǎn)腐蝕較弱的S321材料，在冷加工過(guò)程中造成內(nèi)、外表面機(jī)械劃痕以及形變馬氏體組織未得到及時(shí)處理，在高溫、殘余應(yīng)力以及氯離子環(huán)境共同作用下形成的氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂；

2) 外表面的裂紋擴(kuò)展速率比內(nèi)表面的快；

3) 裂紋在馬氏體組織內(nèi)部的擴(kuò)展時(shí)，擴(kuò)展方向大致平行于細(xì)條；

4) 外表面直邊段馬氏體體積分?jǐn)?shù)和硬度最大值是內(nèi)表面的2倍左右。

根據(jù)研究結(jié)果，提出以下合理建議：

1) 根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，存在缺陷的封頭應(yīng)當(dāng)對(duì)缺陷修理或更換；

2) 封頭在冷加工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)避免殘余應(yīng)力與形變誘發(fā)的馬氏體的產(chǎn)生以及表面機(jī)械損傷，可以通過(guò)熱處理工藝以及表面拋光進(jìn)行改善；

3) 封頭進(jìn)廠時(shí)，可采用滲透檢測(cè)以及光譜分析，對(duì)封頭內(nèi)外表面以及材質(zhì)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)；

4) 在使用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制染液中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，必要時(shí)可在染液進(jìn)口加裝氯離子檢測(cè)裝置；

5) 建議在相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中增加對(duì)奧氏體不銹鋼冷加工后的鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)限定。