保温层下不锈钢应力腐蚀开裂解析

杜凡

摘   要：通过对加热器封头裂纹的特点以及现场情况的分析，论证了其发生泄露的主要原因是应力腐蚀开裂，并提出了应力腐蚀开裂的控制措施。

关键词：不锈钢;应力腐蚀;开裂;控制

1    开工加热器概述

1.1  设备参数及工况

该换热器为卧室换热器，外部包有热保温。主要用途为预热原料。主要技术参数如表1所示。

1.2  失效原因分析

装置运行5年后，经过大修重新开车投用时，在管箱封头环焊缝处出现穿透性裂纹，造成内部管程工艺物料泄露。

1.2.1  设备结构图及发现缺陷位置特点

在该设备（见图1）正上方，有一条冷冻水管线，该管线在天气炎热且湿度大的季节就会在管线外形成冷凝水，冷凝水正好滴在该换热器管箱封头上，在拆开管箱封头的保温时发现保温中有水。

1.2.2  裂纹特点

经外观检查发现，管箱封头直边处存在多条垂直于环焊缝的裂纹缺陷。金相复膜分析（见图2）裂纹由外壁向纵深发展，外观呈树枝状主裂纹粗钝，裂纹即有穿晶型的，也有沿晶型的，属于典型的不锈钢应力腐蚀裂纹。图3为裂纹整体形貌，可以看出裂纹是由外壁向内壁发展。

1.2.3  分析结果

利用光谱仪对开裂部位取样进行光谱分析，其材料确实为304L奥氏体不锈钢，实测化学成分数据如表2所示。

现场对裂纹处的腐蚀残留物进行EDX能谱分析，检测发现氯离子质量分数达到了500×10-6。同时，对现场保温棉中的冷凝水采样进行氯离子质量分数分析，发现只有5×10-6，但是这说明保温层中的氯离子会溶解到水中。虽然水中的氯离子质量分数并不高。但是当凝液水接触到100 ℃的管程封头金属表面，水分被蒸发，水中的氯离子不断地富集，最终达到或超过200×10-6的奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂SCC敏感浓度。该裂纹处于封头的直边段，在封头的旋压成型过程中，直边段的型变量是最大的。由于没有做固溶处理，该处的内残余应力也是最大的，这也给应力腐蚀开裂SCC提供了充足的应力条件。100 ℃的工作温度，500×10-6的氯离子质量分数，0.5 MPa的工作压力以及设备制造残余应力为此处的应力腐蚀开裂提供了完美的条件。

1.2.4  应力腐蚀开裂的机理

（1）应力腐蚀产生条件：一是具备足够大的拉伸应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）;二是要有特定的腐蚀环境（不锈钢在含卤素离子的盐溶液中，尤其是含Cl的中性溶液中易孔蚀）;三是金属材料要具备特定的合金成分和组织[1]（不锈钢制造过程中，硫化物局部高浓度聚集，周围铬元素降低，铬氧化物能防腐，因而低浓度铬区最先产生腐蚀）。

（2）应力腐蚀的机理：就不锈钢应力腐蚀机理而言，主要解释学说有电化学阳极溶解理论、氢脆理论、钝化膜破理论、吸附理论等等，业内普遍认可为：在较大应力作用下，金属材料的原子处于不稳定的高能状态，在特定的腐蚀介质作用下，原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀，进而发生脆裂，即产生微裂纹;由于微裂纹的应力集中效应，使材料的脆裂得以快速扩大，最终导致材料断裂[2]。

（3）操作环境的影響：操作温度在60 ℃以上，长期暴露在氯离子环境中的奥氏体不锈钢材料易发生应力腐蚀开裂SCC。

（4）应力腐蚀开裂的过程：在拉应力的作用下，错位沿着滑移面运动，在金属表面产生滑移台阶，表面钝化膜产生局部破裂，裸露出活泼的金属。在有钝化膜和无钝化膜金属或者缺陷处形成钝化—活化微电池。伴随阳极溶解产生阳极极化，使阳极周围钝化，在腐蚀坑及裂纹尖端周围重新形成钝化膜。随后在拉应力作用下，造成腐蚀坑底部的裂纹尖端处应力集中，使钝化膜再次破裂，形成新的活性阳极区。上述过程如此反复，最终造成纵深穿晶的裂纹[3]。

（5）氯离子对奥氏体不锈钢产生的应力腐蚀的贡献：主要是氯离子富集浓度增高加速了材料表面钝化膜的破坏，缩短了应力腐蚀孕育期。奥氏体不锈钢在氯化物介质中的临界应力值约：3～5 kg/mm2。

2    应力腐蚀开裂的控制

该设备的失效模式是典型应力腐蚀开裂，结合现场的情况及设备运行参数，我们需要采取一些措施来避免同样的问题再次发生。

（1）该设备上方的管道之所以会产生凝液水滴落，主要原因是其冷保温质量不好，造成冷量外漏产生凝液水。

（2）不锈钢设备的保温一定要做好防水措施，保温铝皮的接缝处一定要打密封胶。

（3）不锈钢的保温层下腐蚀主要来源于应力腐蚀开裂，因此，不锈钢设备在法定检验过程中一定要做外表面的PT着色无损探伤。

（4）有条件的情况下，在采购新的不锈钢设备时要求生产厂家对不锈钢设备进行整体的去应力热处理，可以有效地减少内应对设备服役过程中应力腐蚀开裂失效的贡献。

3    结语

应力腐蚀开裂的失效模式在化工厂的生产运行中极为常见，了解其失效的机理和条件为设备维修工程师进行设备管理提供了理论支持。一方面，从设计根源上详细了解设备的使用参数及工况，考虑腐蚀环境，严格执行标准规范，并采取防水控氯、焊后热处理等预防手段。另一方面，设备在运行过程中的操作环境的多样性及检修的保温层安装防护也是不可忽视的重要因素。

[参考文献]

[1]胡   方.化工设备中奥氏体不锈钢的应力腐蚀和防护[J].化工设备与管道，2002（3）：51.

[2]刘建洲.奥氏体不锈钢的应力腐蚀及其防护[J].石油化工设备技术，2010，31（4）：49.

[3]杨宏泉，段永峰.奥氏体不锈钢的氯化物应力腐蚀开裂研究进展[J].全面腐蚀控制，2017（4）：13-15.