镍基合金C-276板片失效分析

俄 馨，李岗，史 伟，齐红梅，雍红团华

(1.兰州兰石检测技术有限公司，甘肃 兰州 730314； 2.甘肃省机械材料表征与安全评价工程实验室，甘肃 兰州 730314； 3.甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心，甘肃 兰州 730314 )

某公司生产的板式换热器共使用143片C-276镍基合金板片，板片主要用于隔离介质和进行热交换[1-2]，7 ℃冷冻水、98%浓硫酸分别在波纹板两侧的流道中流过，经板片进行热交换。该换热器在出厂前的水压试验中未发现任何异常，在使用四年后发现大部分存在穿孔现象(图1)。为查找失效原因，进行了相关的检验与分析。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

在失效板片上取样，进行化学成分分析(表1)，结果符合ASME《锅炉及压力容器规范 国际性规范Ⅱ B篇 非铁基材料》对C-276镍基合金化学成分的要求。

1.2 宏观检验

该换热器共使用143片板片，使用四年后，发现有一部分板片发生穿孔，送检其中1片板片。送检的板片上肉眼可见1小孔。对试样经过清洗后观察，位于浓硫酸侧板片的孔洞较大，未发现明显的冲蚀痕迹，冷却水侧板片孔洞较小，且有明显的冲蚀痕迹(图2)。经过体视显微镜观察：浓硫酸侧孔洞存在于机械损伤较严重的部位(图3)。该板片中的孔洞位于划痕内右侧，同时也发现在此划痕的右下方内存在一个小孔，但未穿透。

(a)换热板片浓硫酸一侧；(b)换热板片冷冻水一侧图1 穿孔板片(a) the side of concentrated sulfuric acid on heat exchanger plate；(b) the side of chilled water on heat exchanger plateFig.1 The perforated plate

元素CNbCrNiMoWFeAlCo检测值0.010.2014.7456.2515.923.666.720.301.17标准值≤0.01-14.5～16.550.99～59.4915.0～17.03.0～4.54.0～7.0-≤2.5

(a)浓硫酸侧空洞形貌；(b)冷冻水一侧空洞形貌图2 板片两侧孔洞的形貌(a)morphology of hole in the side of concentrated sulfuric acid；(b)morphology of hole in the side of chilled waterFig.2 Morphology of hole in two sides of the plate

1.3 金相检验

该板片的显微组织为γ+β相(即Ni4Mo相，一种有序的金属间化合物)，见图4；晶粒度为6.5级，

图3 孔洞位置存在机械损伤Fig.3 Mechanical damage at the position of hole

符合ASME《锅炉及压力容器规范 国际性规范Ⅱ B篇 非铁基材料》中的要求。

1.4 形貌分析

图5(a)为板片孔洞及周围形貌，低倍时孔洞轮廓清晰，且孔洞处存在较严重的机械损伤划痕。孔洞处的机械损伤处晶粒明显、清晰，见图5(b)。洞口周围存在冲蚀凹陷现象，且此冲蚀凹陷处存在明显的冲蚀带。此外，经EDS扫描显示小孔的两侧及洞内均无腐蚀产物。

图4 板片显微组织Fig.4 Microstructure of the plate

(a)孔洞及周围形貌；(b)孔洞形貌图5 板片孔洞处SEM照片(a) morphology of hole and the surrounding ；(b) morphology of the holeFig.5 SEM photos of plate in the hole position

2 分析与讨论

C-276板片的化学成分分析结果及显微组织，均符合ASME《锅炉及压力容器规范 国际性规范Ⅱ B篇 非铁基材料》的要求。

在送检的板片上存在多处不同形状的机械损伤，有深有浅。图2中显示板片某处波纹凹面上有一条折线型的划痕，划痕右侧的底部有一穿透的小孔；图3中显示该板片中的孔洞位于划痕内右侧，同时也发现在此划痕的左下方内存在一个小孔，但未穿透；图5可以看出孔洞周围存在冲蚀凹陷现象，此冲蚀凹陷处存在明显的冲蚀带；且孔洞周围的划痕处晶粒清晰可见，表明机械损伤应该发生在浓硫酸流经板片腐蚀之前。

虽然镍基合金由于镍自身容易钝化，同时也可以固溶多种合金元素。因此能够抵抗不同腐蚀介质的腐蚀，被广泛用于不锈钢及其他非金属耐蚀材料所无法解决的各种严重腐蚀环境。C-276镍基合金属于Ni-Cr-Mo-Fe-W系镍基合金，是现代金属材料中最耐蚀的一种材料，主要耐湿氯、各种氧化性氯化物、氯化盐溶液、硫酸氧化性盐，在低温与中温盐酸中均有很好的耐蚀性能，因此在苛刻的腐蚀环境中，如化工、石油化工、烟气脱硫等领域有着广泛的应用。图5可以看出C-276哈氏合金板片在浓硫酸长期侵蚀下晶界清晰可见，这说明哈氏合金在浓硫酸长期作用下存在腐蚀现象。

该换热器设计的流速为冷冻水：0.4325 m/s，浓硫酸：0.3056 m/s。当两侧的流体流过板片上的机械损伤处时，在损伤底部形成一个流速加快的过程，相比较其他没有损伤处，流速很快的冷却水或浓硫酸相对于机械损伤面有很大的相对运动[3-4]。流速的变化还附加了一个流体对金属面的切应力，这个很高的切应力能把冲蚀产物剥离进入流体中，露出新的金属面[5]，依次往复从而在近四年的冲蚀过程中形成了如图5所示的凹槽，此凹槽内出现层状冲蚀带，冲蚀带的延伸扩展方向与流体流动方向一致。若板片表面在安装的过程中存在机械损伤，浓硫酸会在此处沉积腐蚀，从而浓硫酸侧冲蚀孔洞也较大，形成的孔洞大且深。若机械损伤处的深度较深，即残余厚度较薄，板片两侧同时经过长期的冲蚀就会穿透形成孔洞(如图3、图5)，而机械损伤较浅的部位只表现出被冲蚀的迹象，尚没有孔洞产生。

3 结论及建议

造成该C-276镍基合金板片穿孔的原因是由于在板片安装过程中存在机械损伤，板片两侧在长时间的浓硫酸流体冲蚀作用下在此机械损伤处穿透从而形成孔洞。由于板片厚度较薄，在安装过程中严禁划伤板片，避免随后在浓硫酸长期浸蚀下在机械损伤处形成腐蚀性穿孔。