304不锈钢盘管开裂失效分析

李少东，夏明六

(铜陵市特种设备监督检验中心,安徽 铜陵 244000)

304不锈钢盘管开裂失效分析

李少东，夏明六

(铜陵市特种设备监督检验中心,安徽 铜陵 244000)

采用宏观检查、微观分析、力学性能、断口微观形貌等方法对某换热器304不锈钢盘管开裂进行了分析。结果表明：该盘管的开裂属于高温高压水蒸汽应力腐蚀开裂，盘管工作应力和壳程水蒸汽中的溶解氧共同作用下发生应力腐蚀，最终导致盘管开裂。

304不锈钢 ;应力腐蚀 ;失效分析

制氢用换热器为制氢装置的石脑油蒸发器，壳程由两种材料焊接，上部为13CrMo44钢，下部为304不锈钢，管程为304不锈钢盘管。管程设计压力为3.8MPa，工作压力为3.45MPa，进出口温度分别为40℃和360℃；壳程设计压力为3.1MPa，工作压力为2.77MPa，进出口温度分别为423℃和333℃。管程介质为轻石脑油、液化气和天然气混合物，壳程介质为高变气，高变气成分为30%氢气+一氧化碳+甲烷和70%高温高压水蒸汽。该公司两套此类装置在使用过程中均发现换热器管程304盘管环向开裂。

1 试验方法与结果

1.1 宏观分析

图1为304不锈钢盘管宏观照片。从图中可以看出，304不锈钢盘管表面为环向裂纹，裂纹总长度约60mm，距离焊缝约40mm，裂纹端部有分叉，且远离焊缝及热影响区，此次开裂与焊缝应无直接联系。304不锈钢盘管断口平整，没有管壁减薄和凸起等塑性变形现象，表明该断口为脆性断口，盘管开裂为脆性开裂。另，从盘管工作压力的稳定性可排除疲劳断裂可能[1]。

图1 304不锈钢盘管宏观断口

Fig.1 Macrograph and fracture surface of the 304 Stainless Steel Tubes

1.2 微观分析

304不锈钢盘管的微观金相组织照片见图2。由图2(a)可知，304不锈钢盘管微观组织由单相奥氏体组织及少量碳化物组成，且晶粒度较大(约3级)，碳化物分布均匀，未发生晶间碳化物大量析出现象，据此可排除晶间敏化可能。晶粒内有大量孪晶和滑移线出现，孪晶是奥氏体的主要塑性变形方式，表明304不锈钢盘管承受较大的应力。由图2(b)、(c)可知，裂纹由盘管外表面萌生并向盘管内表面发展，直至穿透管壁发生泄漏失效。裂纹为穿晶型裂纹，除主裂纹外，还有少量二次裂纹存在，二次裂纹数量少且发展程度有限，据此可排除发生晶间腐蚀破裂的可能[2，3]。该盘管外表面周向主裂纹垂直于表面沿壁厚方向向内部发展，可判定盘管开裂与轴向拉应力相关。

图2 304不锈钢盘管微观组织

Fig.2 Microstructure of the 304 Stainless Steel Tubes

1.3 力学性能

该盘管力学性能检测结果见表1。由表1可知，盘管抗拉强度平均值为499.5MPa，与标准强度值相比略低；伸长率约57%，满足标准要求；断面收缩率约38%，略低于标准要求。综上，304不锈钢盘管的力学性能基本满足标准要求。

表1 304不锈钢盘管力学性能分析结果

1.4 断口形貌

图3 盘管微观断口形貌

Fig.3 SEM micro-morphology of fracture surface of the 304 Stainless Steel Tubes

该盘管断口表面的观形貌见图3，由图3可知，断口表面覆盖大量腐蚀产物，对腐蚀产物的成分分析结果见表2，成分分析结果表明腐蚀产物主要含有Fe、O、S等三种元素，即腐蚀产物主要由氧化铁和少量硫化铁组成。考虑到裂纹是由盘管外壁萌生向内发展及管程内含有少量硫化氢而壳程不含有硫化氢等因素，可判断硫元素是由于盘管发生穿透泄漏后受管内介质的硫污染(腐蚀)所致。壳程介质中氧腐蚀作用是造成断裂发生的主要因素[5]。断口表面还可辨别出塑性变形撕裂痕迹(撕裂棱)，表明该断口在形成过程中同样遭受应力的作用，该304不锈钢盘管的开裂系由应力和腐蚀的共同作用造成，属于应力腐蚀开裂[6]。

表2 304不锈钢盘管断口腐蚀产物EDS分析结果

2 综合分析

在高温高压水蒸汽中，304不锈钢经常会发生应力腐蚀开裂破坏，且主要影响因素是水蒸汽中的溶解氧和氯离子浓度，有研究资料表明，当高温水蒸汽(288℃)中含有1ppm溶解氧时，即导致304不锈钢发生严重的应力腐蚀开裂破坏，而304不锈钢盘管的工作温度远高于该温度，且该盘管的工作压力较高，发生应力腐蚀开裂的可能进一步提高。另，微量的氯离子存在以及不锈钢的敏化作用也会促进304不锈钢的应力腐蚀开裂，由于目前尚未检测到氯离子存在，且未发现不锈钢的敏化现象，因此可不考虑这两种因素作用。确认该304不锈钢盘管开裂属高温高压水蒸汽应力腐蚀开裂[7]。

抗高温高压水蒸汽应力腐蚀开裂的典型钢种为Incoloy800铁镍基耐蚀合金和Inconel600镍基耐蚀合金，Incoloy800铁镍基耐蚀合金具有更加优良的抗高温水蒸汽应力腐蚀开裂性能，在300℃含8ppm溶解氧的高温水蒸汽中的抗应力腐蚀开裂性能远优于304不锈钢，明显优于Inconel600镍基耐蚀合金。Incoloy800铁镍基耐蚀合金含镍量约为32%，而Inconel600镍基耐蚀合金含镍量则高达75%，因此选用Incoloy800替代Inconel600制造盘管不仅有效避免高温水蒸汽应力腐蚀开裂，还可显著降低材料成本。

3 结论和建议

(1)该不锈钢盘管开裂属高温高压水蒸汽应力腐蚀开裂，盘管的工作应力和壳程水蒸汽中的微量溶解氧共同导致了盘管的开裂；

(2)从抗高温高压水蒸汽应力腐蚀开裂性能和材料成本因素考虑，可以采用Incoloy800铁镍基耐蚀合金替代304不锈钢盘管；

(3)建议对换热器壳体进行同样材料的更换，避免采用304不锈钢制造壳体，杜绝换热器壳体发生应力腐蚀开裂。

[1] 戴起勋.金属材料学[M]. 北京：化学工业出版社，2005: 123-138.

[2] 国家质检总局. GB/T 21433-2008不锈钢压力容器晶间腐蚀敏感性检验[S]．北京：中国标准出版社，2008.

[3] 余晓飞．304、306不锈钢晶间腐蚀的实验与理论研究[D].济南:山东大学，2007:11-13.

[4] 全国钢标准化技术委员会.GB/T14976-2002 流体输送用不锈钢无缝管[S]．北京：中国标准出版社，2002.

[5] 钟群鹏，赵子华．断口学[M]．北京：高等教育出版社，2006:291-295.

[6] 魏宝明．金属腐蚀理论及应用[M]．北京：化学工业出版社，1984：156.

[7] 张振杰．奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂探讨[J].石油化工腐蚀与防护，2006(2):48-51.

(本文文献格式：李少东，夏明六.304不锈钢盘管开裂失效分析[J].山东化工，2016，45(12)：89-91.)

Failure Analysis on Fracture of the 304 Stainless Steel Tubes

Li Shaodong, Xia Minglu

(Center of Tongling special equipment supervision and Inspection, Tongling 244000, China)

Failure analysis of the 304 Stainless Steel Tubes was carried out based on macroscopic analysis, mechanical properties analysis, microstructure analysis, SEM fracture surface analysis. The results showed that the 304 Stainless Steel Tubes was stress corrosion cracking. The content of working stress and dissolved oxygen in water vapor were over standard and the high temperature and high pressure the fracture jointly.

304 stainless steel ; stress corrosion; failure analysis

2016-04-15

李少东(1983—)，安徽六安人，助理工程师，压力容器检验员，主要从事特种设备检验检测工作。

TG172.9

A

1008-021X(2016)12-0089-03