某加热器螺旋管泄露的原因

2021-03-01蒋桥红巴发海

机械工程材料 2021年2期

蒋桥红，巴发海

(上海材料研究所，上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437)

0 引言

STC/H2辐射式电加热器采用电阻式电热元件辐射加热方式，通过加热壳体内的螺旋管来加热管内气体介质；这些气体介质通常为氯硅烷和氢气等危险性气体。某新能源公司STC/H2辐射式电加热器于2017年7月正式投用，2019年2月运行中发现加热器螺旋管部位有氯硅烷泄漏。该螺旋管材料为UNS N08810合金，具有优良的耐腐蚀、耐热疲劳和耐高温冲击性能，且固溶处理后的抗压力破裂特性优异[1]，广泛应用于油气管道、蒸汽动力涡轮、热交换器等在高温腐蚀环境中服役的零件和设备[2]。UNS N08810合金换热管道开裂也是目前热交换器运行过程中常见的故障之一[3-6]，研究其开裂原因具有重要意义。为了找到UNS N08810合金螺旋管泄露原因，作者对其进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

该UNS N08810合金螺旋管全长17 m，高3 m，宏观形貌如图1(a)所示。检测发现其上存在多道裂纹，裂纹位于焊缝附近(图中白线所示)。由图1(b)可知，裂纹长约90 mm，沿周向分布，基本与焊缝平行。将裂纹人工打开，可见裂纹面较为粗糙，呈黑色，无金属光泽和明显塑性变形，如图1(c)所示，说明发生了高温氧化和宏观脆性开裂。

图1 开裂螺旋管、裂纹及人工打开后裂纹面宏观形貌

1.2 化学成分

采用CS844型红外碳硫分析仪、723PC型可见分光光度计和iCAP6300型等离子体发射光谱仪对开裂螺旋管进行化学成分分析。由表1可知，开裂螺旋管的化学成分符合ASME SB-407-2013对N08810合金的化学成分要求，说明螺旋管的化学成分合格。

表1 开裂螺旋管的化学成分(质量分数)

1.3 低倍组织

截取带裂纹螺旋管剖面试样，经磨床磨光后使用硫酸铜盐酸溶液(10 g CuSO4+50 mL HCl+50 mL H2O)擦拭后观察低倍组织。由图2可见，裂纹起源于外壁焊接热影响区，扩展方向与管壁大致垂直，无其他明显低倍组织缺陷。

图2 开裂螺旋管低倍组织

1.4 显微组织及微区成分

图3 螺旋管裂纹附近显微组织

在螺旋管裂纹末端及远离焊缝区的母材上截取金相试样，经镶嵌、磨抛后用王水进行腐蚀，通过ZEISS Observer Z1型光学显微镜和ZEISS Sigma 500型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。由图3和图4可以看出：裂纹附近显微组织由等轴奥氏体+沿晶界连续分布的片线状碳化物组成，部分碳化物附近存在空洞和由空洞串联形成的微裂纹；裂纹附近的晶界与正常晶界相比较粗且颜色较深；裂纹沿晶界扩展，其上存在黑色产物，且该产物存在分层现象，即两层深色物质之间分布着白色物质；母材组织亦为奥氏体+沿晶界分布的碳化物，但晶界碳化物周围未见异常。

利用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对裂纹上的产物进行成分分析。由图5和表2可知：深色物质(位置1)的氧质量分数达20%，应为氧化产物；浅色位置(位置2)处的铬质量分数较低，仅为1.1%，远低于基体(位置3)的，说明此处为贫铬区。

图4 螺旋管裂纹附近及母材SEM形貌

图5 螺旋管裂纹的SEM形貌及EDS分析位置

表2 图5中不同位置处的EDS分析结果(质量分数)

1.5 微观形貌

采用ZEISS Sigma 500型扫描电子显微镜观察人工打开后的裂纹面和剖面形貌。由图6可以看出：裂纹扩展形式为沿晶扩展，与显微组织分析结果一致；裂纹面完全被疏松多孔的产物覆盖，观察不到金属基体，说明氧化严重。螺旋管外壁表面也存在氧化物，氧化物沿晶界渗入到基体内部，如图7所示。

图6 人工打开后裂纹面的SEM形貌

图7 螺旋管裂纹剖面SEM形貌

2 开裂原因分析

由上述理化检验结果可知：该UNS N08810合金螺旋管的化学成分符合技术要求；螺旋管发生沿晶脆性开裂，裂纹表面氧化严重，开裂区附近的晶界碳化物周围可见空洞以及由空洞串联形成的裂纹，说明材料发生了高温蠕变。

在一定温度下，原本固溶于金属基体中的碳元素会以碳化物的形式析出。当温度在700 ℃以上、固溶温度以下时，碳化物在晶内和晶界呈点状析出，对材料性能影响较小；温度降至650 ℃以下，碳化物呈片线状在晶界析出，在600 ℃附近时沉淀速度最快[3]。UNS N08810合金中的主要合金元素为铬和镍，其中铬为强碳化物形成元素，易形成碳化铬析出，其最佳使用温度在750 ℃左右。而螺旋管服役时进出口温度分别为420，550 ℃，管外温度为600 ℃，正处于沉淀速度最快的敏化温度区；长时间处于该温度下时，碳化铬以片线状沿晶界连续析出，造成晶界弱化，使得裂纹更易萌生。同时，碳化铬的析出导致晶界附近形成贫铬区，而高温氧化主要发生在合金贫铬部位[7]，因此开裂区域出现氧化物分层排布的现象。

高温氧化现象是蠕变断裂的显著特征之一。蠕变断裂分为穿晶断裂和沿晶断裂两种。该螺旋管蠕变断裂前几乎无塑性变形，损伤表现为沿晶裂纹的产生与扩展。沿晶裂纹有两种形成机制：一是楔形裂纹，产生于三叉晶界处；二是晶界空洞，产生于晶界台阶、第二相等不连续处[8]。由于沿晶界分布的碳化物使晶界滑动受阻，导致应力集中，微小空洞首先在碳化物和相邻晶粒的界面上形成[9]；微小空洞的存在将极大地降低构件的应力持久强度和寿命[10]。该螺旋管的开裂形式即属于晶界空洞机制。螺旋管采用焊接成形，尺寸巨大，在自身重力影响下存在一定的弯曲应力，加上工作时气体流动产生的振动应力及焊接残余应力等作用，碳化物周围的微小空洞逐渐扩展长大，最终形成晶界裂纹。