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1、酸奶厂配料罐304不锈钢夹套 底部材料的失效分析导读导读 酸奶厂二次配料罐304不锈钢夹套底部在生产过程中发生开裂,配料罐外面夹套底部焊接处出现裂纹,引起泄漏。配料罐体设计温度为98,工作温度为298。夹套外采用聚氨酯发泡材料保温。配料罐体与夹套材料均为304奥氏体不锈钢。生产过程中配料罐内物料度约为 6 左右。配料罐每天要进行12次的清洗和消毒,消毒液温度9598,罐体热消毒后,用冷却塔水冷却罐体(夏天35左右,冬天15左右),时间1015min。导读导读 二次配料罐物料冷却时冰水走夹套(冰水温度24)。发现二次配料罐保温层内漏水,检修时发现夹套蜂窝孔转角处多处开裂泄漏。为查清配料罐夹套开裂
2、原因,需要对其进行失效分析。通过对夹层冰水和冷却塔水水样的检测发现,水中氯化物含量较高。对配料罐所使用的消毒液进行检测,发现其中氯化物和硝酸盐含量较多,但是从其工艺过程得知,其不接触夹层水,只在罐内侧,所以对开裂的影响不大。为此,对开裂夹套进行了进一步的分析测试,以找到其开裂的真正原因。目录CONTENTS1失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测2开裂原因综合分析开裂原因综合分析3结结 论论PART1 1失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测某酸奶厂二次配料罐 304 不锈钢夹套底部出现开裂现
3、象，影响了工厂的正常运行。通过观察裂纹宏观形貌、裂纹金相特征、断口形貌以及断口腐蚀产物能谱分析及应力腐蚀敏感性试验等分析了开裂原因。结果表明:配料罐夹套开裂是由奥氏体不锈钢的应力腐蚀造成的;根据事故发生的原因，提出了返修和消除缺陷的方法。1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测1.1 宏观检验:选取二次配料罐夹套处具有代表性的样件进行宏观检验。采用放大镜进行观察，可发现几乎所有夹套焊点蜂窝孔转角处多处开裂，所有裂纹均于焊接部位起裂，且大都沿径向扩展，裂纹可见宏观分叉，典型裂纹形貌见图 1。将 检 测 结 果 与 G B/T 3 2 8 0 2 0 0 7 标 准 成 分表
4、 对 比 可 以 发 现，材 料 成 分 符 合 标 准 要 求。1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测 将检测结果与GB/T 32802007标准成分表对比可以发现，材料成分符合标准要求。1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测1.3 金相组织检验从样品中夹套材料取样对夹套材料正面及对称部 位进行金相组织分析，结果见图 2。检验显示，夹层材 料的显微组织为奥氏体组织，可见孪晶和滑移线，没有 明显的组织缺陷。1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测1.4 应力腐蚀敏感性试验采用恒变形法研究304奥氏体不锈钢对氯化物应力腐蚀的敏
5、感性,试样形式采用U形弯曲试样,试验按GB/T178981999不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法中U型弯曲试验法进行。从制造配料罐夹套的不锈钢板材上截取试样,试样的加工采用对于材质影响较小的锯切方法，并沿钢板轧制方向截取,试样数量为3件,试样尺寸为75.0mmx15.0mmx2.5mm整个试样表面采用GB/T2481.1中规定的水砂纸依次磨到W40,并经磨床磨制,确保试样的表面粗糙度Ra小于0.8m。试样两端加工有0.6mm的圆孔,见图 3。1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的不锈钢材料的检测检测 1123 根据标准,试验
6、前需要试样弯曲成U型,故专门制作了半径为8mm的压头及压模,将图3中的试样在INSTRON材料试验机上弯曲成U型并使其两臂平行,见图4。试样取出后对试样进行打磨,除油,清洗,吹干备用。1.失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测 试验溶液用GB67278化学试剂氯化镁中规定的分析纯氯化镁加去离子水配制，考虑到试验进行时，氯化镁溶液需要保持143的微沸状态，故将该氯化镁浓度配制为42%。将配制好的试验溶液倒入玻璃烧瓶，每个烧瓶的试验溶液为1L，并置于电加热器中加热至微沸状态，调整并保持溶液的温度为143左右6。再将试样置于微沸的试验溶液中，并开始计时。1.失效夹套失效夹套 30
7、4 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测 烧瓶中放置3个试样，每隔一定时间将试样取出，用去离子水冲洗干净后，用5倍放大镜观察试样的开裂情况，然后将试样再次放入沸腾的溶液中继续试验。如此反复观察直至发生试样开裂及裂纹穿透试样宽度，试样开始发现裂纹即宏观裂纹发生时间和裂纹穿透试 样宽度的时间即为试样裂纹贯穿时间。记录试验结果见表2。失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测.1将试样的裂纹面打开，观察裂纹面的断口形貌，并进行能谱分析，结果见图5，图 6。观察分析显示，裂纹面的断口形貌为准解理断口形貌，具有应力腐蚀的断口特征，从EDS谱分析结果可知，断面上的Cl含量较多。分析表明，裂纹确
8、为Cl应力腐蚀裂纹，304不锈钢在Cl环境下具有应力腐蚀敏感性。1.5裂纹的金相形态检验截取裂纹金相试样，观察其夹套材料的断面。将试样镶嵌、磨平、抛光后在金相显微镜下进行观察，可发现大量沿径向和轴向方向扩展的裂纹，裂纹典型形貌见图7。其中图7b为图2b放大10倍后的裂纹金相形貌。1.失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测失效失效夹套夹套 304 不锈钢材料的不锈钢材料的检测检测.1由图7不锈钢抛光形态可知，裂纹源处有轻微腐蚀或腐蚀凹坑，裂纹的宽度远小于裂纹的长度，呈明显树枝状分叉，为典型的应力腐蚀裂纹。从图8的侵蚀态试样形貌可见，裂纹穿过奥氏体晶粒呈典型的穿晶 裂纹扩展形态
9、。失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测.11.6裂纹断面扫描电镜分析将含裂纹试样的裂纹面打开,在OLYMPAS 扫描电子显微镜下进行观察,分析裂纹面的断口形貌,结果见图9。图9a的断口低倍形貌明显可见2个区域，裂纹扩展区和人为打断的区域，2个区域具有不同的断口特征。图9b为将图9a放大10倍后人为打断区的形貌,显示明显台阶型撕裂纹,是韧性断裂的断口特征。失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测.1失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测.1 图10a和图10b为裂纹面的断口形貌，将图10a裂纹区域放大2倍(图10b)，呈明显的脆性断口特
10、征，具有明显的腐蚀扩展条纹和泥状花样特征，为典型的应力腐蚀断口形貌特征。失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测.11.7 断口腐蚀产物能谱分析选择断口上腐蚀产物比较明显的部位以及相对较为干净的部位，采用EDS 能谱仪进行腐蚀产物元素分析，结果见图11和图12。图11,图12的能谱分析结果表明，断口腐蚀产物含有大量Cl以及氧化物和硫化物。1.失效夹套失效夹套 304 不锈钢材料的检测不锈钢材料的检测PART2 2开裂原因综合分析2 2 开裂原因综合分析 奥氏体不锈钢耐应力腐蚀性能很差，能引起奥氏 体不锈钢发生应力腐蚀的介质有特定性，特别是含有Cl、NaOH、H2S等的水溶液。
11、除了存在特定的腐蚀性介质并且对其应力腐蚀具有敏感性外，奥氏体不锈钢发生应力腐蚀还要有拉伸应力和残余应力的作用，应力幅值越高，越容易发生应力腐蚀开裂(SCC)。经查，当介质温度超过60，含微量的Cl的水中，常用奥氏体不锈钢就可发生应力腐蚀开裂。裂纹的金相形态分析和断口扫描电镜分析结果均显示，夹层裂纹是典型的应力腐蚀裂纹。能谱分析结果表明，裂纹面腐蚀产物含有大量的Cl和少量S2。由于设备定期需要在90左右的条件下清洗和消毒，温度通过焊接连接部位传递至夹套层，冷却水中含有Cl和S2，且夹套层存在盐类浓缩条件，构成了引起应力腐蚀的环境条件。由于夹套层是通过构件局部焊接与罐体连接，因此不可避免存在焊接残
12、余应力和循环高压冷却 水对夹套的张应力，构成了发生应力腐蚀的力学条件。2 2 开裂原因综合分析 由于设备定期需要在90左右的条件下清洗和消毒，温度通过焊接连接部位传递至夹套层，冷却水中含有Cl和S2，且夹套层存在盐类浓缩条件，构成了引起应力腐蚀的环境条件。由于夹套层是通过构件局部焊接与罐体连接，因此不可避免存在焊接残余应力和循环高压冷却 水对夹套的张应力，构成了发生应力腐蚀的力学条件。PART3 3结结 论论3 结结 论论 针对该酸奶厂二次配料罐夹套底部开裂的现象，通过研究分析，推断其是由应力腐蚀造成的。配料罐主体材料为304不锈钢，为应力腐蚀敏感性材料;夹套通过焊接方式与罐体连接，存在残余拉
13、应力;夹套中通冷却水，存在高压水对夹套产生的张应力，水样检测得 到其中含有大量 Cl，存在特定介质，满足应力腐蚀开裂发生的3个基本条件。然后进行材料化学成分分析，发现其符合 304 不锈钢的标准，材料没有明显缺陷。对304不锈钢进行应力腐蚀敏感性试验，发现304不锈钢在Cl环境下的确具有应力腐蚀敏感性.3 结结 论论 通过观察裂纹宏观形貌、裂纹金相组织、断口形貌，发现其裂纹的宽度远小于裂纹的长度，呈明显树枝状分叉，为典型的应力腐蚀裂纹。裂纹面的断口形貌呈明显的脆性断口特征，具有明显的腐蚀扩展条纹和泥状花样特征，为典型的应力腐蚀断口形貌特征。再进行断口腐蚀产物能谱分析，发现断口腐蚀产物含有大量
14、Cl以及氧化物和硫化物。这些特征和检验结果与前面的推断符合，所以得出结论:夹套开裂是Cl引发的应力腐蚀开裂。3 结结 论论 在实际生产中消除304不锈钢的焊接残余应力是不太有效的7。因为一般消除残余应力采取热处理的方法，但是高温加热会使304不锈钢很容易到达650敏化脆性温度区，钢中过饱和碳就会重新析出向晶界扩散，析出并与晶界附近的铬形成铬的碳合物(Cr23C6)，造成晶界边缘的贫铬区，进而发生晶间腐蚀。所以一般不采用此方法。而消除冷却水中的 Cl的成本也较高，水中的Cl不易去除。奥氏体和铁素体组成的双相不锈钢，其综合力学性能好，屈服强度是普通304不锈钢的2倍，疲劳强度和韧性都较好;3 结结 论论 焊接性良好，不易产生热裂纹，焊后可以不用固溶和时效热处理，也不用焊前预热;换热效率比304奥氏体不锈钢要高，导热系数大，线膨胀系数小，在冷却循环水 Cl含量较高的条件下，双相不锈钢的抗应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通的304奥氏体不锈钢，更加适合用作夹套材料，所以建议换用双相不锈钢材料。THANKS