一、案例(li)、

1、換(huan)熱器管箱不銹鋼復合層開裂

概況：某(mou)裝置檢修時(shi)發現(xian)一臺(tai)換熱器管箱(xiang)內(nei)壁嚴重腐蝕。管程基本(ben)參數如(ru)下(xia)：

管程壓(ya)力：設計2.68MPa、操作(zuo)壓(ya)≤2.34MPa；

管程溫度：設計186℃，操作≤166℃；

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

管程(cheng)管箱材質：16MnR+304；

管箱焊后熱處理(li)溫度為：620℃。

圖：不銹鋼(gang)復合層(ceng)開裂

2、失效(xiao)原因

熱處理不(bu)當導致不(bu)銹鋼(gang)敏化，發(fa)生了CO2（碳酸(suan)）環境下的晶間(jian)腐(fu)蝕。

二、概念

1 、損(sun)傷(shang)描述及損(sun)傷(shang)機理

a)敏化：普通(tong)的(de)(de)(de)300系列不(bu)銹鋼(如304、316)含碳(tan)(tan)量較高，屬于非穩(wen)定態(即不(bu)含鈦或鈮等穩(wen)定化元(yuan)素)，室溫時碳(tan)(tan)在奧氏體(ti)中(zhong)的(de)(de)(de)溶(rong)解度(du)(du)很(hen)小，約為0.02%~0.03%，遠(yuan)低于不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)實(shi)際含碳(tan)(tan)量，故過飽(bao)和(he)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)被固溶(rong)在奧氏體(ti)中(zhong)，當溫度(du)(du)超過425℃并在425℃~815℃范圍內(nei)停留一段(duan)時間(jian)時，過飽(bao)和(he)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)就不(bu)斷地向(xiang)奧氏體(ti)晶(jing)(jing)粒邊界(jie)(jie)(jie)擴散(san)(san)，并和(he)鉻(ge)(ge)(ge)元(yuan)素化合、在晶(jing)(jing)間(jian)形(xing)成(cheng)碳(tan)(tan)化鉻(ge)(ge)(ge)的(de)(de)(de)化合物，如六(liu)碳(tan)(tan)化二(er)十三鉻(ge)(ge)(ge)(Cr23C6)等。鉻(ge)(ge)(ge)在晶(jing)(jing)粒內(nei)擴散(san)(san)速度(du)(du)比沿晶(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)擴散(san)(san)的(de)(de)(de)速度(du)(du)小，內(nei)部的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)來(lai)不(bu)及向(xiang)晶(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)擴散(san)(san)，在晶(jing)(jing)間(jian)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)化鉻(ge)(ge)(ge)所需的(de)(de)(de)鉻(ge)(ge)(ge)主要來(lai)自晶(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)附近(jin)，使晶(jing)(jing)界(jie)(jie)(jie)附近(jin)的(de)(de)(de)含鉻(ge)(ge)(ge)量大為減少(shao)。

當晶界(jie)的(de)(de)鉻(ge)(ge)質量分數低(di)到小(xiao)于12%時，就(jiu)形成所謂的(de)(de)“貧(pin)鉻(ge)(ge)區(qu)”，貧(pin)鉻(ge)(ge)區(qu)和晶粒本身存(cun)在電(dian)(dian)(dian)化(hua)(hua)學(xue)性能差異，使貧(pin)鉻(ge)(ge)區(qu)(陽極)和處于鈍(dun)化(hua)(hua)態的(de)(de)基體(ti)(陰極)之間(jian)建立起一個具有很大(da)電(dian)(dian)(dian)位差的(de)(de)活(huo)化(hua)(hua)-鈍(dun)化(hua)(hua)電(dian)(dian)(dian)池。貧(pin)鉻(ge)(ge)區(qu)的(de)(de)小(xiao)陽極和基體(ti)的(de)(de)大(da)陰極構(gou)成腐蝕(shi)電(dian)(dian)(dian)池，在腐蝕(shi)介質作(zuo)用下，貧(pin)鉻(ge)(ge)區(qu)被快速腐蝕(shi)，晶界(jie)首(shou)先(xian)遭到破(po)壞(huai)，晶粒間(jian)結(jie)合力(li)顯著減弱、力(li)學(xue)性能惡(e)化(hua)(hua)，機械強度大(da)大(da)降低(di)，然(ran)而變形卻不明顯。這種碳(tan)化(hua)(hua)物在晶界(jie)上(shang)的(de)(de)沉(chen)淀一般(ban)稱之為敏(min)化(hua)(hua)作(zuo)用。

對于(yu)含穩定(ding)化(hua)(hua)(hua)元(yuan)素(su)(su)的(de)(de)奧(ao)氏(shi)體不銹鋼，在(zai)其焊接接頭區(qu)域(yu)經(jing)歷多次(ci)加熱和冷卻(que)循環，會在(zai)狹窄的(de)(de)特定(ding)區(qu)域(yu)內導致原本溶解在(zai)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鈦(TiC) 或碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鈮(NbC) 中的(de)(de)碳(tan)元(yuan)素(su)(su)析出， 并(bing)與(yu)鉻(ge)(ge)元(yuan)素(su)(su)結合， 在(zai)晶間(jian)形成(cheng)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鉻(ge)(ge)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)合物， 如六碳(tan)化(hua)(hua)(hua)二十三鉻(ge)(ge)(Cr23C6)等， 同樣(yang)形成(cheng)貧鉻(ge)(ge)區(qu)， 造成(cheng)耐腐蝕能(neng)力下(xia)降。

b)晶(jing)(jing)間腐(fu)蝕(shi)：金屬材(cai)料(liao)發生敏化(hua)后，在腐(fu)蝕(shi)介質中晶(jing)(jing)界因(yin)耐腐(fu)蝕(shi)能力(li)較低(di)而發生優先(xian)腐(fu)蝕(shi)；或未(wei)發生敏化(hua)的(de)材(cai)料(liao)在特定的(de)腐(fu)蝕(shi)介質中晶(jing)(jing)粒邊界或晶(jing)(jing)界附近優先(xian)發生腐(fu)蝕(shi)，使晶(jing)(jing)粒之間喪失(shi)結(jie)合力(li)的(de)一種局部破壞過程。發生敏化(hua)的(de)奧氏體不(bu)銹(xiu)鋼非常容易(yi)發生晶(jing)(jing)間腐(fu)蝕(shi)。

2、 損傷(shang)形態

a)發生敏化時，一般尺寸、外(wai)形(xing)(xing)無明顯(xian)變(bian)化且(qie)不會發生塑(su)性變(bian)形(xing)(xing)；發生晶間腐(fu)蝕時如果晶粒脫落(luo)不明顯(xian)，目視檢(jian)測不太(tai)容易發現損傷。

b)僅敏化區(qu)域(yu)可見腐蝕痕(hen)跡，如果敏化區(qu)間較窄，比(bi)如焊接時形(xing)成(cheng)的(de)敏化區(qu)，一般(ban)出(chu)現窄腐蝕溝(gou)或裂紋。

c)敏化部(bu)位可能仍保持著明亮的(de)(de)金屬(shu)光(guang)澤，但塑性(xing)完全喪(sang)失，冷(leng)彎時(shi)易發生開裂(lie)，嚴(yan)重(zhong)時(shi)出(chu)(chu)現脆斷和金屬(shu)晶(jing)(jing)粒(li)脫落(luo)，落(luo)地時(shi)甚至沒有金屬(shu)碰撞聲。如果(guo)已(yi)出(chu)(chu)現晶(jing)(jing)間(jian)腐蝕，有時(shi)會出(chu)(chu)現明顯(xian)的(de)(de)晶(jing)(jing)粒(li)脫落(luo)，使(shi)金屬(shu)表面光(guang)澤黯淡，局部(bu)可能出(chu)(chu)現明顯(xian)的(de)(de)減薄。

d)金相(xiang)顯微鏡(jing)或(huo)掃描(miao)電鏡(jing)下可觀(guan)察到晶界明顯變寬，多呈網(wang)狀，嚴重時可觀(guan)察到明顯的晶粒脫落。

e)含穩(wen)定化元素的奧氏體不(bu)銹鋼的焊(han)接接頭發生敏(min)化和晶間腐蝕時，可在接頭區域(yu)觀察(cha)到獨有的“刀(dao)狀腐蝕”(或稱刃狀腐蝕)。

f) 敏化后(hou)的材料(liao)在腐(fu)蝕介(jie)質作(zuo)用下易發生晶間腐(fu)蝕，在高(gao)拉伸應(ying)力區還常導致(zhi)沿晶應(ying)力腐(fu)蝕開(kai)裂。

3、 受(shou)影響的材料(liao)

300系列不(bu)銹鋼(不(bu)含鈦(tai)或鈮等穩定(ding)(ding)化元(yuan)素(su)，或含有(you)穩定(ding)(ding)化元(yuan)素(su)但未經穩定(ding)(ding)化處理)，有(you)時鎳基合金(jin)和鋁合金(jin)也(ye)有(you)類(lei)似情況。

4、 主(zhu)要影響因素

a)含(han)碳量：含(han)碳量越高，敏(min)化(hua)敏(min)感性(xing)越高，晶間碳化(hua)物析出傾向性(xing)越大，也(ye)越容易(yi)發生晶間腐蝕(shi)；

b)合金成(cheng)分：加(jia)入鈦、鈮等能形成(cheng)穩定(ding)碳化(hua)(hua)物(TiC或NbC) 的元素并進行(xing)穩定(ding)化(hua)(hua)處理， 可降低敏化(hua)(hua)和(he)晶間腐蝕敏感性(xing)；

c)熱(re)(re)處理：加(jia)熱(re)(re)到(dao)高溫進行固(gu)溶處理，然(ran)后快速冷卻(如(ru)水冷)形成單一(yi)奧氏體相可(ke)避(bi)免敏化(hua)，但現(xian)場施工一(yi)般(ban)不能滿足固(gu)溶熱(re)(re)處理的要求，故一(yi)般(ban)只用于(yu)制造(zao)工廠；

d) 工藝條件：使用300系列不銹鋼(gang)的(de)工段將操作溫度降低至425℃以下可(ke)避免敏(min)化發生。

5、 易發生(sheng)的裝(zhuang)置或設備

a) 高溫下使用的催化裂化裝置(zhi)300系列(lie)不銹鋼制設備；

b) 煤氣化裝置的300系列不銹(xiu)鋼制變(bian)換氣管道；

c) 乙烯裂(lie)(lie)(lie)解(jie)裝置裂(lie)(lie)(lie)解(jie)和急冷(leng)系統(tong)中(zhong)操作溫度在400℃以上的裂(lie)(lie)(lie)解(jie)爐(lu)對流段300系列不銹鋼制過熱蒸汽爐(lu)管和液態裂(lie)(lie)(lie)解(jie)原料爐(lu)管；

d) 尿(niao)素(su)裝置的尿(niao)素(su)合(he)成塔不銹(xiu)鋼襯里(li)；

e) 其他采用(yong)焊接方(fang)法進行制造或(huo)安裝，且未經固溶(rong)熱處(chu)理的(de)300系列(lie)不銹鋼的(de)設(she)備和(he)管道，如(ru)果材料(liao)為非低碳級的(de)比(bi)較敏(min)感；

f) 發生(sheng)σ相脆化的300系列不銹鋼或400系列不銹鋼制設備(bei)或襯里易發生(sheng)晶(jing)間(jian)腐(fu)蝕(即未敏(min)化也(ye)會(hui)發生(sheng)晶(jing)間(jian)腐(fu)蝕)。

6、 主(zhu)要預防措施

a)選用(yong)含碳(tan)量(liang)低(di)的奧(ao)氏體不(bu)(bu)銹鋼可以(yi)有效(xiao)減少(shao)敏化的發生，如超低(di)碳(tan)奧(ao)氏體不(bu)(bu)銹鋼系列；

b) 添加一定的(de)合金(jin)元素，如鈦、鈮(ni)等形成(cheng)穩定碳化(hua)物(wu)；

c)固溶(rong)熱(re)處理一般只(zhi)應用于工廠在制的設(she)備(bei)和管道，不推(tui)薦在施工現場進行(xing)；

d)調整鋼中奧氏體(ti)形成元素(su)與鐵素(su)體(ti)形成元素(su)的比(bi)例，使其具有(you)奧氏體(ti)+鐵素(su)體(ti)雙相(xiang)組織，這種(zhong)雙相(xiang)組織不(bu)易產生(sheng)晶界敏化；

e) 對有(you)晶間腐蝕傾向的鐵(tie)素體(ti)不(bu)銹鋼(gang)，在700℃~800℃進行退(tui)火。

7、 檢測(ce)或監測(ce)方(fang)法

a)敏(min)化(hua)一(yi)般無法直接觀(guan)察(cha)到(dao)，敏(min)化(hua)后的材料受介質作(zuo)用發生腐(fu)蝕(shi)或開裂，則(ze)可能會直接觀(guan)察(cha)到(dao)；

b)未敏化(hua)的(de)材料發生(sheng)晶間(jian)腐蝕時晶粒出現明顯脫(tuo)落，目(mu)視(shi)(shi)檢(jian)查可(ke)觀察(cha)到表(biao)面粗糙(cao)不(bu)平，甚(shen)至部(bu)位區域(yu)晶粒脫(tuo)落形(xing)成(cheng)明顯的(de)腐蝕帶(dai)，否則(ze)一般難以通(tong)過(guo)目(mu)視(shi)(shi)檢(jian)查辨(bian)別；

c) 金(jin)相分析或掃描(miao)電(dian)鏡觀(guan)察(cha)；

d) 對可能發生晶(jing)間腐蝕的(de)部(bu)位(wei)，設置(zhi)腐蝕掛片(pian)做(zuo)定期測(ce)量(liang)金屬損失量(liang)；

e) 滲透檢(jian)測(ce)。