复合板封头的敏化和避免措施

2019-10-28

化肥设计 2019年5期

(中国五环工程有限公司，湖北武汉 430223)

某化工厂生产聚氯乙烯的装置于2006年12月投入使用，2007年12月年度检查时，对其中两台接受槽(V-211A和V-211C)进行了内表面渗透检查，发现其下封头内表面出现了大量密集的细微线状显示，通过金相分析和热应力分析确定：其封头复层奥氏体不锈钢敏化后，在后续的封头成型和服役过程中产生沿晶裂纹乃至部分晶粒脱落的典型晶间腐蚀现象。

1 设备概况

接受槽为第I类压力容器，压力为0～750kPa(g)，工作温度为50～67℃，介质为氯乙烯单体、过氧化物、偶氮化合物引发剂、蒸汽等。介质中含有Cl-，一定条件下发生水解反应，生成HCl，溶于水形成盐酸，属于对奥氏体不锈钢的晶间腐蚀介质。

槽内直径4 500mm，槽容积150m3，筒体和封头均为复合板，基层材料16MnR，复层材料0Cr18Ni9。下封头和筒体下部分别安装有搅拌器。封头厚度为30+3mm，筒体厚度有搅拌器部分为28+3mm，无搅拌器部分为16+3mm。

封头为内径4 500mm的标准椭圆形，用复合板由正火态30mm厚的16MnR板和固溶态3.1mm厚的0Cr18Ni9板爆炸复合而成，复合后经正火温度热处理(920±10℃保温60min，出炉风冷)消除爆炸应力。

2 腐蚀状况

超声测厚显示，筒体和封头未有减薄或减薄不明显，说明均匀腐蚀不明显。

渗透检查在筒体内壁未发现裂纹，上封头内壁有零星细小线状显示，在下封头发现大面积密集的细小线状显示，疑是微裂纹(见图1(a)与图1(b))。出现在封头的整个区域，其中，封头直边到圆弧过渡段分布较为集中。

3 金相分析

对PT显示最严重的V-211A下封头及其附近筒体内表面选取12处打磨，进行金相覆膜检查，按检查顺序编号为1#到12#，位置见图2(a)与图2(b)。其中，4#、5#位于封头直边段，12#位于封头圆弧过渡区。

图1 下封头内表面PT显示

图3(a)、3(b)是4#位置的金相照片，为沿晶裂纹形貌，部分晶粒呈脱落状，组织为奥氏体+晶界滑移线上的碳化物；图3(c)、3(d)是5#位置的金相照片，为沿晶裂纹形貌，组织为奥氏体+晶界滑移线上的碳化物；图3(e)、3(f)是12#位置打磨较深处的金相照片，为残余显微裂纹形貌，组织为奥氏体。晶界滑移线上出现碳化物、沿晶出现裂纹，甚至晶粒脱落的现象，说明复层0Cr18Ni9发生了敏化，并在服役过程中产生了晶间腐蚀。

图3 V-211A下封头处金相照片

4 敏化的原因分析

回顾封头的成型和热处理，坯料制备和拼焊完成后，首次热处理(600±20℃保温80min，炉冷到480℃后出炉风冷)，然后鼓压成型，再经中间热处理(制度同首次热处理)，然后旋压成型，最后经热处理(用980℃保温30min，22min内强制风冷至400℃)。

首次热处理是为了消除焊接应力，中间热处理是为了消除变形残余应力，最终热处理是为了消除变形残余应力和消除前两次热处理对奥氏体不锈钢复层产生的敏化，恢复其固溶状态。

奥氏体不锈钢在540～845℃存在敏化区[1]，当奥氏体不锈钢在该温度区保温、缓慢升温或缓慢冷却时，奥氏体中过饱和的碳将和Fe、Cr化合成(Cr、Fe)23C6，沿晶界沉淀析出，从而造成晶界附近区域贫铬，使晶界处于首先被腐蚀的状态——敏化状态。0Cr18Ni9材料在650℃保温10min就存在敏化的危险[2]，封头复层材料在600±20℃两次保温80min后已经严重敏化，在后来的旋压成型过程和使用过程中，封头变形大的地方(如圆弧过渡段)就容易萌生裂纹和产生晶间腐蚀。最终热处理采用980℃保温30min、22min内强制风冷至400℃的制度，是希望消除复层不锈钢的敏化并恢复到固溶状态。由实际封头的晶间腐蚀状况可知，该热处理制度消除敏化的效果并不理想。

5 避免措施

奥氏体不锈钢敏化后，在腐蚀介质中易发生晶间腐蚀，出现晶间开裂、晶粒脱落，甚至加速全面腐蚀，因此该两只下封头已经没有修复的意义，需要重新制造替换。重新制造封头存在如下两种解决敏化问题的方案。

(1)改旋压成型为分瓣成型，免除热处理，避开奥氏体不锈钢的敏化温度区，保持不锈钢的固溶状态是最有效的防止敏化和晶间腐蚀发生的方法。

(2)用超低碳的奥氏体不锈钢00Cr19Ni10代替0Cr18Ni9；仍采用原成型工艺，仅修改最终热处理制度，使封头的敏化减轻或消除。

实际采用了第二种方案来制造新封头。该方案的关键在于最终热处理需平衡两个方面：第一，为消除成型过程中产生的敏化，热处理温度应足够高，最好能达到奥氏体不锈钢的固溶处理温度，结合在晶界的碳化物需要足够高的温度才开始分解，时间应足够长，晶界的碳元素需要时间扩散固溶到奥氏体中；第二，为保证基层碳钢的强度和冲击韧性，热处理温度和时间不能过高和过长，最好能控制在碳钢材料的正火温度范围。

通过取样模拟试验证实：980℃保温50min，出炉22min内降温至400℃的热处理制度，可消除或避免复层奥氏体不锈钢的敏化，基层碳钢的强度和韧性虽有降低，但仍能满足相应材料标准的要求。

因此，修改后的最终热处理方案为：保温温度仍为980℃，将测温热电偶栓接在封头内表面确保封头内表面所有测温点都达到980℃；延长保温时间到50min；封头出炉，采用水雾冷却，确保22min内封头降温至400℃。

新封头最终热处理完成后，经金相覆膜检查，没有发现敏化现象；组织为奥氏体，奥氏体晶界不明显，细小矩形孪晶可见，为固溶态组织(见图4)。