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0Cr18Ni9换热器应力腐蚀开裂失效分析点击：1728 日期：[ 2014-04-26 21:14:03 ] |
| 0Cr18Ni9换热器应力腐蚀开裂失效分析 上官丰收1牛建文2刘强1陈兵2 （1.中国石油管工程技术研究院2.中国石油长庆油田) 摘要：某厂锅炉给水预热器在投入使用3.5年后，管箱外壁近横焊缝处发现裂纹。该换热器设计材质为0Cr18Ni9，截取含有裂纹的试样，进行化学成分分析、金相分析、硬度检测、拉伸强度测试、裂纹分析和扫描电子显微镜分析。材质Cr元素含量17.75%，硬度306HV10，这两项检测结果不符合GB/T 4237—2007《不锈钢热轧钢板和钢带》要求；裂纹表面发现S元素。应力腐蚀是此次失效的主要原因。 关键词：换热器 0Cr18Ni9 化学成分 硬度 应力腐蚀 中图分类号：TQ 051.5 0·前言 某厂锅炉给水预热器在投入使用3.5年后，管箱外壁近横焊缝处发生泄漏，经检测管箱内表面发现近30条裂纹，设计材质0Cr18Ni9。为避免类似事故发生，对该换热器进行了失效分析。 1·工况 锅炉给水预热器的结构及其裂纹见图1、图2、图3，设计材质为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。管程介质见表1，壳程的介质为锅炉水。管程，进口280℃，出口176℃，工作压力2.9 MPa；壳程，进口102℃，出口190℃，工作压力4.3 MPa。 2·锅炉给水预热器开裂分析 从锅炉给水预热器上截取含有裂纹的试样，进行化学成分分析、金相分析、硬度检测、拉伸强度试验、裂纹分析和扫描电子显微镜分析。 2.1化学成分分析 依据标准ASTM A751，采用Baird Spectrovac2000直读光谱仪和LECO CS-444红外碳硫分析仪对试样进行化学成分分析，结果见表2。Cr元素含量仅17.75%，没有达到GB/T 4237—2007《不锈钢热轧钢板和钢带》要求的18%～20%，化学成分不合格。 2.2金相组织分析 依据GB/T 13298、GB/T 10561—2005和GB/T6394—2002，使用MEF3A金相显微镜和MEF4M金相显微镜对试样进行金相观察分析，见图4和表3。试样组织为奥氏体，见图4(a），晶粒度为6.5。夹杂物分析结果见表3。 2.3硬度测试 依据标准GB/T 4340.1—1999，在HSV-20型维氏硬度计上沿壁厚方向测量材料硬度。结果依次显示：297 HV10、307 HV10、305 HV10、290HV10、301 HV10、303 HV10、319 HV10、314HV10、318 HV10，平均硬度306HV10。硬度不符合标准GB/T 4237—2007的要求≤210 HV。 2.4拉伸强度测试 沿管壁纵向切取标距覫6.25 mm×25 mm的圆棒拉伸试样，依据标准GB/T 228—2002，室温下在CMT5105拉伸试验机上进行试验，结果见表4。拉伸试验结果符合GB/T 4237—2007。 2.5裂纹分析 对试样进行裂纹分析。腐蚀是非均匀腐蚀，内表面存在多处裂纹，见图4（b），垂直于表面并呈树枝状分叉。裂纹形貌呈沿晶和穿晶混合特征，见图4（c），裂纹周围组织无显著区别，仍为奥氏体组织。 2.6电子显微镜及能谱分析 将含裂纹试样打开，使用TESCAN-VEGAⅡ型扫描电子显微镜和OXFORD-INCA350型能谱仪对裂纹形貌进行分析，结果见图5和表5。断口形貌显示断面上晶粒轮廓清晰，晶界面较为光滑，呈现典型的“冰糖状”，且裂纹表面有S元素存在。 3·分析及讨论 材质组织为奥氏体，正常；硬度较高，超过标准规定要求。由于锅炉给水预热器工作载荷加上残余应力的作用，同时材料硬度较大，因此材料的应力腐蚀敏感性较高。材料未发生均匀腐蚀；裂纹表面存在S元素，S元素是工作介质带来的。S2-是引起奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的较敏感介质离子，介质中如含有微量的S2-，随着使用时间的延长，S2-在一些边角部位会不断积聚变多，最终导致材料应力腐蚀开裂。 4·结论 (1)材质Cr元素含量和硬度不符合GB/T 4237—2007《不锈钢热轧钢板和钢带》要求； (2)裂纹表面发现S元素； (3)应力腐蚀是此次失效的主要原因。 参考文献 [1]GB/T 4237-2007.不锈钢热轧钢板和钢带[S]. [2]GB/T 13298-1991.金属显微组织检验方法[S]. [3]GB/T 10561-2005.钢中非金属夹杂物含量的测定[S]. [4]GB/T 6394-2002.金属平均晶粒度测定方法[S]. [5]GB/T 4340.1-1999.金属维氏硬度试验[S]. [6]GB/T 228-2002.金属材料室温拉伸试验方法[S]. [7]吴剑.不锈钢的腐蚀破坏与防蚀技术———（四）应力腐蚀破裂[J].腐蚀与防护，1997，18（4）：38－42. |
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