不銹鋼夾層鍋筒體內(nèi)壁裂紋的分析

1不銹鋼應力腐蝕開裂鉻銀鉻體的不銹鋼具有非磁性、良好的耐腐蝕性和加工性。它是不銹鋼中最省得的。目前,國內(nèi)外用量最多的是304,316型系列的鉻鎳奧氏體不銹鋼。隨著不銹鋼產(chǎn)量的增加及使用范圍的擴大,不銹鋼應力腐蝕開裂的報道屢見不鮮,許多學者對不銹鋼應力腐蝕開裂的研究日益廣泛和深入,并取得了相當大的進展。應力腐蝕裂紋一般都很細小,而且多數(shù)出現(xiàn)在容器或管道內(nèi)表面,故很不易檢查發(fā)現(xiàn),應力腐蝕裂紋常導致不銹鋼構件在低于設計應力,沒有任何明顯宏觀變形和不出現(xiàn)任何征兆的情況下突然迅速破裂,這不僅會造成巨大危害,也嚴重妨礙了不銹鋼的進一步推廣和應用。2主要技術參數(shù)廣東某醬油廠的一批共有10臺用于加工醬料的換熱設備1000L夾層鍋,夾套和球殼材質為SUS304,內(nèi)筒為ASTMA240316L,內(nèi)筒球殼半徑為SR700×8,球殼半徑為SR750×5,工作介質為含4%NaCl的醬料,主要技術參數(shù)見表1。夾層鍋的形狀示意圖見圖1。夾層鍋工作時,夾層通高溫蒸汽加熱,鍋內(nèi)放入醬料進行攪拌加熱,醬料加熱完成并轉移后用自來水對夾層鍋進行沖洗,然后對下一批醬料進行加熱,一般每天停鍋8h左右。該批夾層鍋投入使用不到三年,就發(fā)現(xiàn)夾套和內(nèi)筒環(huán)焊縫鍋內(nèi)側熱影響區(qū)附近有大量微小裂紋,內(nèi)筒球殼內(nèi)壁有大量的孔蝕及細微裂紋出現(xiàn)。為確定裂紋類型及其產(chǎn)生原因,對內(nèi)筒進行了材質分析并對裂紋進行了宏觀和微觀等檢測分析,以便采取相應預防措施杜絕事故發(fā)生。3檢查3.1裂紋開裂方向現(xiàn)場觀察結果顯示,夾套與內(nèi)筒連接的環(huán)焊縫鍋內(nèi)側熱影響區(qū)附近有很多呈枯樹枝狀的微裂紋,裂紋開裂方向大體平行于焊縫,裂紋從內(nèi)壁表面開始向縱深方向擴展。筒體壁厚為8mm,經(jīng)打磨,打磨深度約為4mm,仍然可見到裂紋的存在,同時,內(nèi)筒球殼內(nèi)壁底部有大量的可見點蝕孔及細微裂紋,第一天內(nèi)筒清洗后,第二天發(fā)現(xiàn)有些點蝕孔附近有黃褐色腐蝕物析出。3.2化學成分分析夾層鍋內(nèi)筒材質分析結果見表2,從表中我們可以看到,該不銹鋼板中的化學成分Cr、Ni、Mo含量均符合其采用的標準ASTMA240中316L鋼的要求,屬超低碳奧氏體不銹鋼。3.3材料體的微觀組織和形貌在夾層鍋內(nèi)壁環(huán)焊縫附近裂紋腐蝕區(qū)域進行現(xiàn)場金相觀察和分析,圖2為兩處裂紋的微觀組織和形貌。由圖可見316L材料基體為均一的奧氏體組織,裂紋呈枯樹枝狀,多呈穿晶形貌,屬典型的穿晶型裂紋;部分晶粒呈孿晶分布,攣晶中存在大量位錯,這有利于應力腐蝕裂紋的產(chǎn)生和擴展。一些晶粒表面還可看到點狀腐蝕坑。4應力腐蝕的發(fā)生機制奧氏體不銹鋼之所以具有良好的耐腐蝕性能主要取決于合金元素Cr和Ni。Cr和Ni使不銹鋼表面在氧化性介質中生成一層十分致密的氧化膜,使不銹鋼鈍化,降低了不銹鋼在氧化性介質中的腐蝕速度,使不銹鋼的耐腐蝕性能提高。但是在特定的環(huán)境下奧氏體不銹鋼卻極易發(fā)生應力腐蝕,往往造成災難性事故。所謂應力腐蝕,就是在拉伸應力和腐蝕介質的共同作用下而引起的低應力脆性斷裂。與應力腐蝕相關的三個因素是材質、拉應力和腐蝕環(huán)境。應力腐蝕開裂是由拉應力和腐蝕環(huán)境決定的。4.1殘余應力的消除由于細微裂紋大都發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)附近,由此說明夾層鍋夾套和筒體在焊接時引起的焊接殘余應力沒有完全消除,焊縫附近區(qū)域存在較大拉應力。另外,夾層鍋工作時,由于介質加工工藝的要求,加熱和冷卻的交替引起的循環(huán)熱應力使筒體內(nèi)壁不斷受拉應力以及內(nèi)壓引起的膜應力作用。上述幾種應力的共同作用,是引起應力腐蝕裂紋的重要原因。4.2+改性不銹鋼材料的腐蝕液夾層鍋筒體內(nèi)加入的介質是含4%NaCl的醬料,而奧氏體不銹鋼對含有氯離子的介質特別敏感,溶液中氯離子的存在,將會導致金屬產(chǎn)生應力腐蝕破裂。這是由于氯離子半徑小,穿透能力強,最容易穿透鈍化膜內(nèi)極小的孔隙,優(yōu)先有選擇地吸附在鈍化膜上,把氧原子排掉,然后和鈍化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物,使不銹表面的鈍化膜產(chǎn)生溶解而受到破壞,在應力作用下,鈍化膜被破壞的區(qū)域就容易產(chǎn)生裂紋,從而使不銹鋼產(chǎn)生應力腐蝕裂紋。在外加陽極極化條件下,不銹鋼開始活化,鈍化膜破裂處的基體金屬直接暴露在腐蝕介質中,成為腐蝕電池的陽極區(qū),發(fā)生陽極溶解,從而使某些局部區(qū)域的腐蝕加深,最后形成孔蝕,只要介質中含有一定量的氯離子,孔蝕便可能發(fā)展成蝕孔,而且隨著氯離子濃度的增加,孔蝕電位下降,造成孔蝕加速,最后有可能把金屬斷面蝕穿。在上述兩種主要因素的共同作用下,使得夾層鍋內(nèi)筒出現(xiàn)微裂紋和點蝕失效。5殘余應力的降低應力腐蝕裂紋是應力和腐蝕介質共同作用的結果,對于該夾層鍋由于介質是不可選擇的,那么只能從材質和應力兩方面進行改進。(1)降低設備的殘余應力。在容器的生產(chǎn)制造過程中對焊接工藝、焊接材料進行嚴格質量控制,對應力集中部位盡可能實施消除應力處理;(2)根據(jù)夾層鍋服役條件,