某廠的不銹鋼
冷卻器。在使用一年多時間后，管口處相繼產(chǎn)生貫穿性裂紋．影響了工廠的日常生產(chǎn)．醞釀著嚴重的安全隱患。裂紋從管口脹接處開始，逐漸向另一管孔延伸，管口的交界處有銹狀物包裹．剝?nèi)グ锖笥萌庋塾^察可見管孔周邊存在多條裂紋，裂紋總長600Im以上。為找到裂紋產(chǎn)生的原因并提出相應(yīng)的改進措施．對管板材質(zhì)化學成分、斷口形貌、介質(zhì)環(huán)境、腐蝕產(chǎn)物、金相組織等進行了分析，綜合分析裂紋的成因。
一、檢驗分析
1、管口材料成分分析
對管口取樣進行化學成分分析，并與標準GB4237《不銹鋼熱軋鋼板)中1Crl8Ni卯i成分對照，分析結(jié)果表明，實際材質(zhì)與國標材質(zhì)對比，Ti含量明顯不足，C含量略偏高，管口材質(zhì)實際接近1crl8Ni9，而不是1Cd8Ni螄。
2、介質(zhì)環(huán)境分析
冷卻器所用的蒸汽來自于本廠的循環(huán)工業(yè)用水。冷卻器使用。實地對冷卻器的介質(zhì)即加熱蒸汽的凝結(jié)水和機油采樣送檢，水汽分析結(jié)果表明。蒸汽凝結(jié)水中含有較多的Cr。這可能與工業(yè)水循環(huán)過程中混人了Cl-有關(guān)。
3、全相分析
宏觀檢查管口，發(fā)現(xiàn)存在寬窄不一的貫穿性裂紋，裂紋寬度最寬達1．5咖。制取斷口試樣(未破壞斷口形貌)，管口大部分金屬已失去光澤，斷口表現(xiàn)為多臺階、參差不齊的斷口，呈脆性斷裂特征。微觀檢驗觀察試樣拋光面．發(fā)現(xiàn)存在多處沿晶裂紋，由粗變細逐漸由外向內(nèi)擴展：在較粗一頭存在明顯的非金屬夾雜物；同時還發(fā)現(xiàn)少數(shù)區(qū)域存在沿晶分布的非金屬夾雜物。電解侵蝕后．顯微組織特征為：基體為奧氏體．其上分布有較多碳化物顆粒，同時存在碳化物沿晶分布的網(wǎng)狀組織．微觀裂紋是沿著碳化物析出的晶界擴展的，裂紋特征符合晶間腐蝕(網(wǎng)狀)和應(yīng)力腐蝕(沿晶)的特征。
4、腐蝕產(chǎn)物分析
對管口孔縫隙間的腐蝕產(chǎn)物取樣。用能量散射X光譜(EDS)進行分析，結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中主要成分為Fe，Cr，并有Cr局部富集現(xiàn)象。
二、腐蝕機理分析
1、材質(zhì)影響
不銹鋼的耐蝕性主要是因為表面有一層鈍化膜，提高了電極電位，可以阻止腐蝕反應(yīng)發(fā)生。而管板材質(zhì)不良，缺鈦且碳含量偏高，
易造成晶界貧鉻現(xiàn)象．產(chǎn)生活態(tài)一鈍態(tài)微電池。一般的1Cd8Ni蛐中鈦含量為碳含量的5一10倍．這樣才能起到穩(wěn)定化作用。但本材質(zhì)鈦含量過低，而碳含量偏高。若材料在制造或使用過程中經(jīng)過敏化溫度區(qū)。不穩(wěn)定的碳容易在晶界消耗大量的鉻形成碳化鉻析出，內(nèi)部的碳向晶界擴散的速度比鉻快．晶界的鉻得不到補充致使晶界出現(xiàn)貧鉻區(qū)(即敏化)．形成不了鈍化膜，使晶界鈍態(tài)受到破壞，電極電位下降(陽極、活態(tài))，而晶粒本身仍維持鈍態(tài)，電位較高(陰極)，晶粒與晶界構(gòu)成活態(tài)一鈍態(tài)微電池，且具有大陰極一小陽極的面積比，在這種藕合加速效應(yīng)的影響下．導(dǎo)致材料晶間腐蝕，同時抗晶間型應(yīng)力腐蝕的能力也有所下降。
2、介質(zhì)環(huán)境、應(yīng)力因素
不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象較為常見。不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕應(yīng)具備三個基本條件：敏感的合金(材料因素)、靜的拉伸應(yīng)力(力學因素)和特征介質(zhì)(環(huán)境因素)。
敏感的合金一對lCd8Ni朔而言。在有氯化物、氫氧化物和連多硫酸的介質(zhì)中。均能引起應(yīng)力腐蝕。靜的拉伸應(yīng)力一如果沒有靜的拉伸應(yīng)力，即使有敏感的合金與特定的介質(zhì)配合。應(yīng)力腐蝕也不會發(fā)生。在不銹鋼應(yīng)力腐蝕中起主要作用的是宏觀內(nèi)應(yīng)力。即殘余拉應(yīng)力，而不是微觀內(nèi)應(yīng)力。換熱管與管板脹接后，存在脹接應(yīng)力(殘余拉應(yīng)力)。
特征介質(zhì)一特別是溶液中的一些雜質(zhì)．即所謂特征離子的存在是最為危險的。在200℃水中僅含2ppm Cr，便可使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。并多數(shù)以點蝕、縫隙腐蝕為起源。
冷卻器 水汽報告表明，其Cr含量足以在200一300℃時使不銹鋼產(chǎn)生晶間型應(yīng)力腐蝕。EDS分析結(jié)果也表明，裂紋面內(nèi)有明顯的Cr局部富集。
3、閉塞電池的形成
由于脹接部位縫隙內(nèi)溶液處于滯流狀態(tài)。氧只能以擴散的方式向縫內(nèi)傳遞。使縫內(nèi)的氧耗難以得到補充。從而使縫隙內(nèi)的陰極反應(yīng)中止。然而，縫隙內(nèi)的陽極反應(yīng)繼續(xù)進行，形成一個高濃度金屬正離子溶液的空腔。為保持溶液中性，帶負電荷的陰離子(Cr)遷移人空腔內(nèi)，生成的金屬氯化物又發(fā)生水解反應(yīng)，
冷卻器空腔內(nèi)酸性增加。導(dǎo)致鈍化膜破裂，使空腔內(nèi)電極電位下降，形成為陽極，整個外表面形成為陰極。尤其是Cr可與H+生成鹽酸．其腐蝕性更強。加速了空腔內(nèi)的腐蝕速度。由于材質(zhì)中欽含量不足。也易引起鈍態(tài)的活化。隨著腐蝕的進行及腐蝕產(chǎn)物的沉積．縫隙內(nèi)形成閉塞電池腐蝕．并在應(yīng)力和腐蝕的聯(lián)合作用下。擴展為裂紋向縱深發(fā)展。冷卻器
4、冶金、熱處理因素
金相組織顯示為奧氏體加大量的未溶碳化物．同時存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物。說明該材料未經(jīng)固溶處理，或固溶處理溫度不高、時間較短，碳化物未充分溶鰓，合金化程度差。而且，熱處理溫度低，鉻擴散速度減慢，碳化鉻沉淀加快，更加速了貧鉻區(qū)的形成，降低了電極電位。同時。沿晶分布的含鉻碳化物會加劇晶界貧鉻而導(dǎo)致沿晶界的應(yīng)力腐蝕。
沿晶非金屬夾雜物的存在說明該材料晶粒很粗。粗晶粒的晶間腐蝕傾向大。原因在于粗晶單位體積的晶界面積小，而在給定的敏化條件下產(chǎn)生的碳化物沉淀又是一定的。使粗晶的晶界部位碳化物密度比細晶的大。另一方面，粗大的晶粒有促使加速M23C6沉淀的作用，同時沿晶分布的非金屬夾雜物嚴重割裂基體的連續(xù)性，降低了材料的強度．非金屬夾雜的尖端極易造成應(yīng)力集中。冷卻器
三、結(jié)語
管口的材質(zhì)分析和金相組織分析表明，材質(zhì)不合要求。導(dǎo)致基體和晶界耐晶間腐蝕和晶間型應(yīng)力腐蝕的性能下降。介質(zhì)中的Cr在晶界敏化和殘余應(yīng)力的共同作用下，引起晶間型應(yīng)力腐蝕，并且Cr在管子管板縫隙內(nèi)滯流．在殘余應(yīng)力、酸性自催化作用下導(dǎo)致縫隙腐蝕：而沿晶的非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中、組織晶粒粗大，也加劇了腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展。為防止裂紋產(chǎn)生，可從以下四方面改進：
1、材質(zhì)控制
嚴格控制材質(zhì)質(zhì)量，通過添加穩(wěn)定化元素或降低碳含量．控制晶界吸附和抑制晶界沉淀：熱處理溫度、時間和溫度變化速度必須達到要求，以減少含鉻碳化物的析出，控制晶粒度和細化晶粒，降低產(chǎn)生腐蝕的可能性。
2、結(jié)構(gòu)改進
盡量避免形成閉塞空間．設(shè)計時對管板與管子問的縫隙可考慮進行密封處理。建議采用密封焊，焊后進行消除應(yīng)力處理。
3、工況介質(zhì)控制
嚴格控制介質(zhì)中的雜質(zhì)。特別是C1．含量，可通過工藝手段將其控制在引起應(yīng)力腐蝕的濃度之下。
4、選材考慮
由于lCrl8Ni卯i中C含量較高。將增加不銹鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性，同時在設(shè)備制造過程中經(jīng)過熱加工或焊接熱循環(huán)后。Ti的穩(wěn)定化作用會下降甚至消失。易造成晶界敏化。降低抗晶間腐蝕的性能，故在壓力容器行業(yè)。目前已不推薦使用該鋼號。可選用含碳量更低的Cr—Ni奧氏體不銹鋼．如0Cd8Nil0Ti鋼、OCrl8 NiUNb鋼或超低碳不銹鋼00Cd9Nil0鋼等，以降低晶界敏化的危害性。也可考慮采用復(fù)相不銹鋼，以降低不銹鋼對氯離子應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。
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