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1、奥氏体不锈钢制容器失效典型案例分析问题引出北京某车间的 3 台粗苯酚再沸器(如图 10和图11所示),原设计壳程筒体材质为碳钢;其余材质为不锈钢,并且筒体上带有膨胀节,该结构到达使用寿命后,对该设备进行了更新,新设备的材质均为奥氏体不奥氏体不锈钢锈钢,并取消膨胀节,采用固定和弹簧支座。该再沸器的工艺参数如下:壳程介质为水蒸气,工作压力4.OM P a,工作温度252 ;管程介质为苯酚焦油混合物,工作压力-0.04M P a,工作温度2 28 。该台再沸器投产6个月后发现,在上管板与壳程筒体焊接的管板一侧,发现大量周向均布裂纹周向均布裂纹和少量轴向轴向裂纹裂纹(如图12 所示),管板截面如图13
2、 和图14 所示。由图12 和图13 可见,其裂纹源数量较多,并且大部分起裂于内表面。图1 1 P E 2 8 工艺流程图10 三台粗苯酚再沸器之一(带弹簧支座)金相检验O硬度测试、力学性能试验、金相检验(图巧为主裂纹起裂处金相图、图16 为主裂纹起裂附近金相图)表明,管板锻件的质量存在一定的问题。主要表现为晶粒度粗大晶粒度粗大(大于l 级晶粒度,而壳程筒体不锈钢材质的晶粒度为6 级)、硬度偏低、屈服强度偏低、冲击韧性偏低。试样剖面渗透探伤发现的母材裂纹、超声波检测发现的锻件母材部位缺陷信号显示,也表明锻件可能存在一些制造中产生的危险性缺陷。在相近的受力状况下,全部裂纹都位于管板一侧,说明管板
3、材料、尤其是热影热影响区部位响区部位的性能与壳体和焊缝差距很大。从图15和图16 还可以看出,在主裂纹发源处表现出沿晶的特征,并且该处主裂纹的起始段相比较其扩展段已随着腐蚀发展而变得更宽。图14 裂纹位置示意图图13 环焊缝根部的未焊透缺陷及裂纹图12 P T 探伤发现的管板上的裂纹图16 主裂纹起裂附近金相图(x 6 3）图15 主裂纹起裂处金相图(x 6 3）有限元分析O通过弹性有限元应力分析计算(如图17 和图18 所示),得到出现裂纹部位的最大应力强度最大应力强度为164 M P a 而根据标准,管板材料(00Cr17Ni14Mo2、锻件)在250 下的许用应力1 0 0Mpa。需要指
4、出的是,有限元计算所得的是再沸器局部一点的应力,并且包含了温差应力分量,因此该应力强度属于一次加二次应力强度。按压力容器分析设计思路,该应力强度应由3 来限制。因此该部位的一次加二次应力强度值并未超标。图18 上管板凹槽处应力强度图17 管箱局部有限元模型图断口分析O对断口的扫描电镜检查表明(如图19 和图20 所示),裂纹的发展以穿晶为主,断口以解理断裂为主,裂纹的扩展具有显著的高周疲劳裂纹特征。又由于在主裂纹发源处表现出沿晶的特征,这说明材料性能较差,在晶界上形成裂纹源,并在疲劳载荷下逐渐开裂。图20 疲劳辉纹(X 3 00 0）图19 解理+二次裂纹振动测试分析O现场的设备振动测试与分析
5、表明(如图21 所示),再沸器壳体确实存在较显著的振动,经加速度传感器采集信号并进行数据分析,得到设备壳体振动的主频率为 500550Hz。相比另一台采用弹簧支座的再沸器振动测试结果,采用固定支座的容器的振动加速度明显高于采用弹簧支座的再沸器。O由于壳程介质为蒸汽,因此着重检查了循环水氯离子含量。检测结果表明氯离子含量小于6 pp m,且能谱分析结果表明(如图2 所示),裂纹面上不存在氯元素,因此可以排除氯离子环境下的不锈钢应力腐蚀。裂纹形成机理O裂纹形成的机理可描述为:由于管板材料性能较差,在焊接热循环和较高的应力水平作用下,在薄弱部位一焊接接头热影响区形成微裂纹,在交变载荷下,微裂纹发生疲
6、劳扩展,逐渐形成较严重的宏观裂纹。O由于焊接接头中热影响区的材料性能最差,而检验中己发现再沸器管板母材存在晶粒度粗大、强度下降的问题,因此热影响区材料性能下降肯定更为显著。由于接触同样介质但受力条件更差的管板、筒体环焊缝根部未焊透尖端并未形成明显扩展的宏观裂纹,全部裂纹均出现在管板侧焊缝热影响区内,也就是说全部裂纹均出现在劣化程度最高、材料性能最差的部位。因此,产生裂纹的根本原因是管板材质不能适应实际工况要求。结论与对策为避免新上设备出现类似问题,可从以下两个方面入手来采取解决对策:（1）新上设备应采用弹簧支座以降低管板筒体连接处的应力水平,减轻设备的振动,宜在壳程筒体以及物料出口接管加装膨胀节以进一步降低应力、减轻振动。（2）新上设备应严格控制材质:控制管板锻件的晶粒度,采取措施细化晶粒以提高力学性能和耐腐性能,减小管板材料与壳程筒体材料以及焊缝的力学性能差异,建议更换管板锻件和壳程筒体为碳钢材料。