一、案例、

1、換熱器管箱不銹鋼復(fù)合層開裂

概況：某裝置檢修時發(fā)現(xiàn)一臺換熱器管箱內(nèi)壁嚴重腐蝕。管程基本參數(shù)如下：

管程壓力：設(shè)計2.68MPa、操作壓≤2.34MPa；

管程溫度：設(shè)計186℃，操作≤166℃；

管程介質(zhì)：中變氣(CH4：2.3%，CO2：13％，H2：80％，CO：1.1%，N2：2.5％)；

管程管箱材質(zhì)：16MnR+304；

管箱焊后熱處理溫度為：620℃。

圖：不銹鋼復(fù)合層開裂

2、失效原因

熱處理不當(dāng)導(dǎo)致不銹鋼敏化，發(fā)生了CO2（碳酸）環(huán)境下的晶間腐蝕。

二、概念

1 、損傷描述及損傷機理

a)敏化：普通的300系列不銹鋼(如304、316)含碳量較高，屬于非穩(wěn)定態(tài)(即不含鈦或鈮等穩(wěn)定化元素)，室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%~0.03%，遠低于不銹鋼的實際含碳量，故過飽和的碳被固溶在奧氏體中，當(dāng)溫度超過425℃并在425℃~815℃范圍內(nèi)停留一段時間時，過飽和的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻元素化合、在晶間形成碳化鉻的化合物，如六碳化二十三鉻(Cr23C6)等。鉻在晶粒內(nèi)擴散速度比沿晶界擴散的速度小，內(nèi)部的鉻來不及向晶界擴散，在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要來自晶界附近，使晶界附近的含鉻量大為減少。

當(dāng)晶界的鉻質(zhì)量分數(shù)低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”，貧鉻區(qū)和晶粒本身存在電化學(xué)性能差異，使貧鉻區(qū)(陽極)和處于鈍化態(tài)的基體(陰極)之間建立起一個具有很大電位差的活化-鈍化電池。貧鉻區(qū)的小陽極和基體的大陰極構(gòu)成腐蝕電池，在腐蝕介質(zhì)作用下，貧鉻區(qū)被快速腐蝕，晶界首先遭到破壞，晶粒間結(jié)合力顯著減弱、力學(xué)性能惡化，機械強度大大降低，然而變形卻不明顯。這種碳化物在晶界上的沉淀一般稱之為敏化作用。

對于含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼，在其焊接接頭區(qū)域經(jīng)歷多次加熱和冷卻循環(huán)，會在狹窄的特定區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致原本溶解在碳化鈦(TiC) 或碳化鈮(NbC) 中的碳元素析出， 并與鉻元素結(jié)合， 在晶間形成碳化鉻的化合物， 如六碳化二十三鉻(Cr23C6)等， 同樣形成貧鉻區(qū)， 造成耐腐蝕能力下降。

b)晶間腐蝕：金屬材料發(fā)生敏化后，在腐蝕介質(zhì)中晶界因耐腐蝕能力較低而發(fā)生優(yōu)先腐蝕；或未發(fā)生敏化的材料在特定的腐蝕介質(zhì)中晶粒邊界或晶界附近優(yōu)先發(fā)生腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的一種局部破壞過程。發(fā)生敏化的奧氏體不銹鋼非常容易發(fā)生晶間腐蝕。

2、 損傷形態(tài)

a)發(fā)生敏化時，一般尺寸、外形無明顯變化且不會發(fā)生塑性變形；發(fā)生晶間腐蝕時如果晶粒脫落不明顯，目視檢測不太容易發(fā)現(xiàn)損傷。

b)僅敏化區(qū)域可見腐蝕痕跡，如果敏化區(qū)間較窄，比如焊接時形成的敏化區(qū)，一般出現(xiàn)窄腐蝕溝或裂紋。

c)敏化部位可能仍保持著明亮的金屬光澤，但塑性完全喪失，冷彎時易發(fā)生開裂，嚴重時出現(xiàn)脆斷和金屬晶粒脫落，落地時甚至沒有金屬碰撞聲。如果已出現(xiàn)晶間腐蝕，有時會出現(xiàn)明顯的晶粒脫落，使金屬表面光澤黯淡，局部可能出現(xiàn)明顯的減薄。

d)金相顯微鏡或掃描電鏡下可觀察到晶界明顯變寬，多呈網(wǎng)狀，嚴重時可觀察到明顯的晶粒脫落。

e)含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼的焊接接頭發(fā)生敏化和晶間腐蝕時，可在接頭區(qū)域觀察到獨有的“刀狀腐蝕”(或稱刃狀腐蝕)。

f) 敏化后的材料在腐蝕介質(zhì)作用下易發(fā)生晶間腐蝕，在高拉伸應(yīng)力區(qū)還常導(dǎo)致沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。

3、 受影響的材料

300系列不銹鋼(不含鈦或鈮等穩(wěn)定化元素，或含有穩(wěn)定化元素但未經(jīng)穩(wěn)定化處理)，有時鎳基合金和鋁合金也有類似情況。

4、 主要影響因素

a)含碳量：含碳量越高，敏化敏感性越高，晶間碳化物析出傾向性越大，也越容易發(fā)生晶間腐蝕；

b)合金成分：加入鈦、鈮等能形成穩(wěn)定碳化物(TiC或NbC) 的元素并進行穩(wěn)定化處理， 可降低敏化和晶間腐蝕敏感性；

c)熱處理：加熱到高溫進行固溶處理，然后快速冷卻(如水冷)形成單一奧氏體相可避免敏化，但現(xiàn)場施工一般不能滿足固溶熱處理的要求，故一般只用于制造工廠；

d) 工藝條件：使用300系列不銹鋼的工段將操作溫度降低至425℃以下可避免敏化發(fā)生。

5、 易發(fā)生的裝置或設(shè)備

a) 高溫下使用的催化裂化裝置300系列不銹鋼制設(shè)備；

b) 煤氣化裝置的300系列不銹鋼制變換氣管道；

c) 乙烯裂解裝置裂解和急冷系統(tǒng)中操作溫度在400℃以上的裂解爐對流段300系列不銹鋼制過熱蒸汽爐管和液態(tài)裂解原料爐管；

d) 尿素裝置的尿素合成塔不銹鋼襯里；

e) 其他采用焊接方法進行制造或安裝，且未經(jīng)固溶熱處理的300系列不銹鋼的設(shè)備和管道，如果材料為非低碳級的比較敏感；

f) 發(fā)生σ相脆化的300系列不銹鋼或400系列不銹鋼制設(shè)備或襯里易發(fā)生晶間腐蝕(即未敏化也會發(fā)生晶間腐蝕)。

6、 主要預(yù)防措施

a)選用含碳量低的奧氏體不銹鋼可以有效減少敏化的發(fā)生，如超低碳奧氏體不銹鋼系列；

b) 添加一定的合金元素，如鈦、鈮等形成穩(wěn)定碳化物；

c)固溶熱處理一般只應(yīng)用于工廠在制的設(shè)備和管道，不推薦在施工現(xiàn)場進行；

d)調(diào)整鋼中奧氏體形成元素與鐵素體形成元素的比例，使其具有奧氏體+鐵素體雙相組織，這種雙相組織不易產(chǎn)生晶界敏化；

e) 對有晶間腐蝕傾向的鐵素體不銹鋼，在700℃~800℃進行退火。

7、 檢測或監(jiān)測方法

a)敏化一般無法直接觀察到，敏化后的材料受介質(zhì)作用發(fā)生腐蝕或開裂，則可能會直接觀察到；

b)未敏化的材料發(fā)生晶間腐蝕時晶粒出現(xiàn)明顯脫落，目視檢查可觀察到表面粗糙不平，甚至部位區(qū)域晶粒脫落形成明顯的腐蝕帶，否則一般難以通過目視檢查辨別；

c) 金相分析或掃描電鏡觀察；

d) 對可能發(fā)生晶間腐蝕的部位，設(shè)置腐蝕掛片做定期測量金屬損失量；

e) 滲透檢測。