316L不锈钢换热管失效原因分析及应力腐蚀裂纹的结晶学研究
316L不锈钢换热管失效原因分析及应力腐蚀裂纹的结晶学
研究
第!"卷增#"$"年%月
文章编号"#$增;$$""";<=<$#"$"$!#;"<
冶金分析
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!#"$"7'('9:',8
K>S;不锈钢换热管失效原因分析及应力
腐蚀裂纹的结晶学研究
钟振前$!王晓辉!杨春!朱衍勇!杨波
#钢铁研究总院!北京$$""">$
摘#要??从三个方面对奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹进行了分析研究&首先分析了奥氏体不锈钢换热管的裂纹成因%其次在裂纹晶体位向关系实验分析的基础上探讨了含氯离子高温蒸汽环境下的应力腐蚀裂纹形成机制%最后在对不同烟气条件下钢管温度场分布进行有限元计算的提出了提高钢管服役寿命的方法和措施$分析
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明!基础上!!$QM不锈钢钢管失效断口呈准解理断裂状穿晶断口!断口上残存含氯的腐蚀产物!裂纹剖面金相组织下裂纹呈树枝状向内扩展!呈现出典型的奥氏体不锈钢在氯离子环境下应力腐蚀的特征$高温水蒸汽含氯离子腐蚀性介质!及钢管内压在外表面形成的拉应力是钢管发———————————————————————————————————————————————
生应力腐蚀的主要原因$为探讨该腐蚀性介质环境下的应力腐蚀裂纹形成机制!对裂纹扩展路径两侧的基体进行了W^7C晶体位向*滑移面扩展!最终形成的断裂表面为)或)!裂纹在有利于发生晶分析$裂纹沿)$$$$""*$$"*面滑移的晶粒区域"即7萌生$裂纹扩展路径的这种晶体学特征证明了/G9.F因子较大区#!$QM不锈钢在高温蒸汽下氯离子腐蚀性介质中形成的应力腐蚀裂纹符合滑移溶解机制模型$
最后在对钢管工作温度进行有限元计算的基础上!提出干燥烟气是避免钢管早期应力腐蚀失效的有效途径$
关键词??应力腐蚀%穿晶断口%W^7C%7/G9.F因子
中图分类号??Te$$=6=####文献标识码??0
规格为9$QM不锈钢换热管!!=i#+管##某!
内介质为软化水!水压"!出水口温6#;"6!&I)度#管外介质为$"含有水蒸""g!""g的烟气#,!工作过程中通过汽,YE*EV7VKV#,#,#,#等$管外烟气对管内软化水加热+运行约#个月后!换热管管壁出现裂纹+本文在对不锈钢管裂纹进行分析并得出应力腐蚀失效的结论的基础上!对应力腐蚀裂纹的形成机理进行了进一步分析+
目前解释奥氏体不锈钢的应力腐蚀裂纹形成
($机理有多种理论模型!例如"滑移溶解模型',择$(#(优溶解理论',钝化膜致脆机理',腐蚀促进局部(!塑性导致脆断机理'等!这些模型分别从滑移台(R
腐蚀提高表面原子活性',裂纹尖端位错发射阶,
=;Q(
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工程实践'表明!奥氏体不锈钢应力腐蚀
开裂常发生在温度高的部位!特别是热传递大,干
<(
湿交替的区域+另有研究表明'!奥氏体不锈钢;在含E的水环境介质中发生应力腐蚀破裂的敏*
感性随温度升高而增大+降低工作温度可以在一定程度上减缓奥氏体不锈钢应力腐蚀进程!本文在对不同烟气环境下的不锈钢管壁温度进行有限元计算的基础上!提出避免钢管早期失效的一些措施+
>#管材化学成分分析
失效换热管材料化学成分分析结果见表$!表中同时给出了!$QM钢的材料化学成分
规范
编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载
要材料化学成分符合相关标准的规求+结果表明!定要求+
受阻等角度对应力腐蚀裂纹的萌生和扩展进行了解释!但尚未有一个理论模型能完整阐述解释应力腐蚀裂纹的产生机理+本文将从晶体位向关系角度分析研究应力腐蚀裂纹的萌生区域和扩展路径的晶体学特征!为应力腐蚀机理的研究提供更多的实验数据支撑+&$$!#&
D#失效钢管的宏观分析
钢管宏观形貌如图$所示!钢管外表面有黑横截面可观褐色和黄色腐蚀产物+剖开钢管后!
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察到垂直表面几乎穿透管壁的纵向裂纹!裂纹很细没有塑性变形痕迹!呈现出低应力脆性开裂的
特征+
表>#化学成分分析结果及标准规定对照????Q????
E#32'>#!"'<(%#2%*<*-(&(*+#+#2-(-#+.&"&
#39;$'6($'<'+&-'%(,('.3&"'-
&#+.#$./4\/4E
检材!$QM
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6"!"$Q6"#$>6"$"6"#$R6"#6""#!6""3"
K#微观分析
KV>#断口显微分析
由于裂纹未完全裂透!采用人工方法起开裂纹获取断口+肉眼观察!原始裂纹面断口呈黑褐原始裂纹区微观断口呈羽色+7W&下高倍观察!毛状穿晶准解理断裂特征!见图#!是奥氏体不锈
>;$#(
钢典型的氯脆穿晶断口特征'!断口花样显示
裂纹是由外表面向内扩展的+7W&OWC?对断口看到腐蚀产物中氯元附着物进行微区成分分析!
图>#钢管宏观裂纹分析
B(V>"'<#%$*(+-'%&(*+,*$%$#%O*+&"'-
&''2&63'#E0/
)6不锈钢钢管宏观形貌
#TG')'),)1/'5JJ).*'F3(''*88$%箭头所指处$#(+:':钢管横截面显示的裂纹
#TG'/,)/X#3G5L'F51(G'/,5333'/(.515J(+:'.1F./)(
'F:G','F),O2($+,5L$
素的含量很高!表明钢管外部工作环境介质中含有氯离子+此外!断口残留物中还分析出有硫,锌,硅,钙等+
钢管裂纹形态,断口特征及7W&OWC?成分微区的分析结果———————————————————————————————————————————————
表明!钢管裂纹是在含氯离子的水蒸汽环境下发生的应力腐蚀开裂
+
图D#钢管微观断口分析??箭头所指为裂纹扩展方向??
??B(VD#N(%$*,$#%&6$'<*$"*2*(%#2#+#2-(-??&
"'#$$*:--"*:'.&"'%$#%O/$*##&(*+.($'%
&(*+0/04/0
$%)穿晶准解理断口#+)3.O/*')H)'J,)/(+,'Z-硫等元素#!!!$:断口附着物中含
氯,W*'9'1(3.1/*+F.1*7)1F7.'(/@F'('/('F5
1(G'J,)/(+,'3+,J)/'-E
KVD#裂纹剖面金相分析
裂纹剖面金相组织形态如图!所示+裂纹自外表面向内穿晶扩展!路径呈树枝状分叉+
不锈钢钢管基体金相组织为等轴状奥氏体晶
粒组织j点状碳化物!晶粒度<6=级+因为钢管应力腐蚀裂纹为穿晶走向!故材料微观组织中碳化物不是决定材料发生应力腐蚀裂纹失效的重要因素+
&$$!!&
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图K#钢管裂纹扩展与微观组织的关系分析
B(VK#E"'%$#%O-'%&(*+<*$"*2*+.&"'<(
%$*-&$6%&6$'0/04#
$%$+)6裂纹剖面形态
#(G'95,G5*5J/,)/X5:3',H'F51(G'3'/(.51:微观组织#(G'9./,53(,+/(+,'5J(G'3(''*(+:'8-25
M#裂纹扩展路径的晶体位向关系分析
垂直裂纹面制备金相试样!电解腐蚀后!在以步长为$(对裂纹区晶粒组7W&OW^7C下!9!
织进行晶粒取向分析+如图R中),裂:,/所示!纹总体呈树枝状!分支裂纹的扩展方向随晶粒取向的变化而发生改变+如图R)中左边的一条分支裂纹扩展路径经过晶粒$,#,!,R,=,Q等+根据图中对晶粒标记的晶格结构可以判断"晶粒$,#,3晶面均与裂纹扩展面平行!而晶粒!,R,Q的2$$"
则与裂纹扩展面平行+此分析=,<,>,%的2$""3
($!
用蚀坑法对R结果与中山武田'#`&E*-#溶液
中!"R型不锈钢裂纹尖端的直接观察结果一致!
而7如图中外表层所示最大处!/G9.F因子较小#的橘红色和黄色———————————————————————————————————————————————
区$的晶粒则不易产生应力腐蚀分析其他区域的晶粒7也可得裂纹!/G9.F因子!出类似的结论+由此可见应力腐蚀裂纹的萌生对钢管在拉应力和腐蚀性介7/G9.F因子的依赖性"
质作用下!7/G9.F因子大的区域更易形成应力腐蚀裂纹+由于7/G9.F因子直接决定晶体发生位错滑移时的临界应力大小!因此7/G9.F因子较大的区域形成应力腐蚀裂纹进一步证明了氯离子的高温蒸汽环境形成的!$QM不锈钢应力腐蚀是一种滑移溶解机制+
P#钢管温度场有限元分析
根据厂方提供的数据!管内水蒸气在#""g,
#压力")而管6!&I)下的传热系数为<"D9g!
如图=所示!当应力腐蚀裂纹沿23滑移面台阶$$$状扩展时!形成2或2的断裂面+这就证$""3$$"3明了高温蒸汽下!$QM不锈钢的氯离子穿晶应力
$R(
+图R腐蚀是一种滑移溶解机制':是裂纹附近
外烟气传热系数随水蒸气的含量有一定的变化范
#
围!变化幅度为R)温度为$"#>"D9g!"""g+钢管内外热交换符合稳态的二维热传导模
微区取向差分布情况!由于微区取向差可以直接
$=(反映局部微区塑性应变的大小和分布'!图中裂
型!对系统应用能量守恒定律!会得到如下热扩散方程" ———————————————————————————————————————————————
##
"j"jAc"FV
F#V#::定界条件"
纹两侧晶粒内部平均取向差与远离裂纹区域基本表明裂纹在扩展过程中裂纹两侧无明显塑一致!
性应变和位错塞积状况出现!裂纹呈现出低应力脆性扩展特征+
奥氏体不锈钢材料作为面心立方结构!其主
'Q;$<(
+在钢管受水压滑移系是2$$$3"+$*$;$
环向应力的情况下!该系的7/G9.F因子计算结
#$$
;"
F:
#Fc"!V$
c!水'B#"!;B69$$(
果如图Q所示!颜色梯度表示7/G9.F因子大小!其中红色区7位于"/G9.F因子最大!6RQ#"6=
之间!蓝色区7位于"/G9.F因子最小!6#%#"6!R之间+裂纹起裂区位于钢管外表层7/G9.F因子&$$!R&
;"c!烟'B#F"!;B69$#(
!$F#:FcFV"
"为热传导系A表示单位体积产生的热量!
———————————————————————————————————————————————
数!B6B6!$,#分别为管内水蒸气和管外烟气温度!为对流系数!F"表
示管壁厚度+
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图M#应力腐蚀裂纹扩展区的晶粒取向和晶内平均取向差分析
B(VM#E"'0$#(+*$('+&#&(*+#+.#1'$#'<
;(-*$('+&#&(*+#&+'#$C!!#$'#00
$%)6裂纹扩展断裂面与晶体取向的关系
#(G','*)(.513G.JJ,)/(+,'3+,J)/')1F-,).15,.'1()(.51:
6微区取向差分85%布
#(G'*5/)*,).1)H',)'9.35,.'1()(.51F.3(,.:+(.51$/6不同
颜色代表的晶粒取向差范围#(G'9.35,.'1()(.51--$
+,)1'3G5L'F:.JJ','1(/5*5,3-2F
<+不同烟气传热系数下的管壁温度场分布见图
烟气传热系数直接决定了>中图表所示+看出!
钢管管壁工作温度+烟气中水蒸气含量越高,传热系数越大!钢管
管壁工作温度越高!当烟气传热
#
———————————————————————————————————————————————
系数达到>)钢管管壁温度达到Q"D9g时!="
图P#实际应力腐蚀断裂表面与平均结晶
>K,
学平面相互关系示意图+
基本位于不锈钢钢管的敏化温度附近+当烟g!
#
气传热系数为R)不锈钢钢管管壁工作"D9g!
'>;$%(
!奥氏体温度只有=$Rg左右+有文献表明$
B(VP#E"'%$-*$#"(%$'2#&(*+-"('&:
''+040//3
,$#%&6$'-6$,#%'3&$'--%*$$*-(*+4-#+.%
$-*$#"(%/2#+'40/
不锈钢在=""g时的屈服强度远大于其在QQ"g时的屈服强度+因此奥氏体不锈钢在较低的工作温度下工作时!可以使应力腐蚀门槛值远小于材料的屈服强度+而降低奥氏体不锈钢管工作温度的有效途径就是干燥烟气以降低其传热系数+
因此!热交换前对烟气进行干燥处理!可以降
&$$!=&
##在不同烟气传热系数下分别设置边界条件
#具体如表#所示$对钢管管壁进行有限元稳态热分析计算+钢管———————————————————————————————————————————————
管壁数值模拟温度分析结果见图
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低烟气传热系数和钢管实际工作温度!同时可以消除形成不锈钢
氯脆的水蒸汽腐蚀性介质环境+
由此提高材料服役寿命,避免不锈钢钢管早期失效
+
图S#裂纹起裂和扩展区不同晶粒取向的C%"<(.因子计算结果
B(VS#C%"<(.,#%&*$*,-2(-&'<,*$.','$'+&$#(+-+'#$&"'%$#%O/$*##&(*+0/-40/0
表D#有限元分析边界条件设置及最终数值模拟分析结果
E#32'D#E"'&'$<(+#2%*+.(&(*+,*$&"'(+,(+(&''2'<'+&#+.,(+#2+6<'$(%#2-(<62#&(*+$'-62&-边界条件设置
烟气
温度
传热系数
———————————————————————————————————————————————
#
#)D9g$
不同烟气传热系数下的
管内水蒸气温度
传热系数
#
)!#D9g$
数值模拟计算结果最大温度#g$=$R=<QQ=$
最小温度#g$=$#=<RQR
>
B6##g$$"""
B6$#g$#""
R"==>"
<"
D
图I#钢管在烟气传热系数为I??J_<Y
下的温度场分布
图T#不同烟气传热系数下管壁温度随壁厚的变化
B(VT#E"'&'<'$#&6$'0$#.('+&am
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D
??<Y:(&"IJ_
S#讨论
根据对不锈钢换热管的综合分析结果!特别是金相组织检查和断
口分析所揭示的裂纹扩展路径形态和断口特征,腐蚀产物能谱分析以
及&$$!Q&
裂纹由钢W^7C对裂纹扩展区的分析可以得出"
管外表面向内纵深扩展!裂纹扩展路径分叉!总体呈树枝状%宏观
下裂纹两侧无明显塑性变形且微观下W^7C分析所揭示的裂纹扩展
两侧微区塑性应变较小均表明钢管裂纹是在低应力下扩展的%微观
下断口呈羽毛状准解理穿晶断裂特征!裂纹
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表面附着残留氯等的腐蚀产物+因此奥氏体不锈钢换热管是在氯
离子的高温蒸汽腐蚀性介质作用钢管内部压力是换热器下形成的应
力腐蚀失效!钢管应力腐蚀开裂的应力条件+
裂纹扩展路径的晶体位向关系分析表明!应3!裂纹呈台阶状力腐
蚀裂纹扩展面为滑移面2$$$扩展使得断裂表面呈现出一定的规律性!
为23$$"和2+另外主滑移系2$""3$$$3"+的*$;$7/G9.F因子较大区优
先形成应力腐蚀裂纹进一
版社!$%>>6
'#(7.',)F[X.S!K'L9'1BE6d8G3EG'975*.F3$!2$%><!R>"$$"$6
'!$!(]G+T!A)1+5T60/()&'(',%%Q!RR"-D!e!"R%6
'(e!R)*H'*.dB6E5,,53.517/.$%><!#<"$6
'(W=F'*')9&E67EE5J0+3('1.(./7().1*'337(''*.1!7(')9)1FY5(#L)(',73('936dP,517(P13($%=<!2$>Q"R"Q6
'(YQ.1'3dE!Y5),TI6TG'7EE5J0+3('1.(./7().1O步
表明"当晶体主滑移系处于有利的取向时!晶体位错滑移临界开动应
力降低!促进了应力腐蚀裂纹沿滑移面的萌生和扩展+因而尽管解释
奥氏体
不锈钢应力腐蚀的模型众多#
———————————————————————————————————————————————
如滑移溶解模型'$
(,择优溶解理论'$(,钝化膜致脆机理'#(
,腐蚀促进局部塑性导致脆断机理'!(等$!但本工作所分析的高
温#约在=""#Q="g$蒸汽下的!$QM不锈钢氯离子应力腐蚀裂纹形成过程支持滑移溶解机制+
形成高温下奥氏体不锈钢氯脆的腐蚀性介质条件是氯离子和水蒸汽!因此!热交换前对烟气进行干燥处理!不仅可以降低烟气传热系数和钢管实际工作温度!提高钢管在工作温度下的屈服强度!同时最大程度的减少形成不锈钢氯脆的水蒸汽腐蚀性介质环境!从而提高材料服役寿命,避免不锈钢钢管早期失效+
#结论
#$
$钢管属于氯离子的高温蒸汽环境引起的应力腐蚀裂纹失效!裂纹是从钢管外表面形成并向内扩展最后穿透管壁的!因此管外表面存在含氯离子的水蒸汽环境是导致钢管发生应力腐蚀开裂的主要原因+
##$裂纹扩展路径晶体位向关系分析研究表明!应力腐蚀裂纹沿滑移面2$$$3扩展!并形成沿2$""3或2$$"
3的断裂表面+揭示了高温蒸汽下的氯离子腐蚀性介质环境形成的应力腐蚀裂纹扩展特征支持滑移溶解机制模型+
#!
$鉴于奥氏体不锈钢对含氯离子的水介质环境极为敏感!且其应———————————————————————————————————————————————
力腐蚀的产生受工作温度和蒸汽环境影响较大!因此热交换前对烟气
进行干燥处理!是预防发生应力腐蚀现象的有效措施+
参考文献??
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钢扩散焊接头??的微观结构和力学性能??d@中国有色金属学
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316L不锈钢换热管失效原因分析及应力腐蚀裂纹的结晶学
研究
作者:
作者单位:钟振前， 王晓辉， 杨春， 朱衍勇， 杨波钢铁研究总院,北京 100081
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