蒋桥红,巴发海

(上海材料研究所,上海市工程材料应用与评价重点实验室,上海 200437)

摘 要:某加热器螺旋管在运行过程中发生泄露,通过宏观形貌和显微组织观察、化学成分分 析、扫描电镜和能谱等方法研究了其泄露原因。结果表明:螺旋管发生蠕变开裂,开裂形式为脆性 沿晶开裂;由于服役温度过低,该螺旋管焊接热影响区中沿晶界析出片线状碳化物,使得其附近形 成贫铬区;在弯曲应力、振动应力和焊接残余应力作用下,碳化物周围出现较多空洞缺陷,空洞扩展 长大而形成裂纹,导致泄露。

关键词:螺旋管;泄露;高温蠕变;碳化物 中图分类号:TG142 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)02-0102-04

0 引 言

STC/H2辐射式电加热器采用电阻式电热元 件辐射加热方式,通过加热壳体内的螺旋管来加热 管内气体介质;这些气体介质通常为氯硅烷和氢气 等危险性气体。某新能源公司 STC/H2辐射式电 加热器于2017年7月正式投用,2019年2月运行 中发现加热器螺旋管部位有氯硅烷泄漏。该螺旋管 材料为 UNSN08810合金,具有优良的耐腐蚀、耐 热疲劳和耐高温冲击性能,且固溶处理后的抗压力 破裂特性优异[1],广泛应用于油气管道、蒸汽动力涡 轮、热交换器等在高温腐蚀环境中服役的零件和设 备[2]。UNSN08810合金换热管道开裂也是目前热 交换器运行过程中常见的故障之一[3-6],研究其开裂 原因具有重要意义。为了找到 UNSN08810合金 螺旋管泄露原因,作者对其进行了失效分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

该 UNSN08810合金螺旋管全长17m,高3m, 宏观形貌如图1(a)所示。检测发现其上存在多道 裂纹,裂纹位于焊缝附近(图中白线所示)。由图1 (b)可知,裂纹长约90mm,沿周向分布,基本与焊 缝平行。将裂纹人工打开,可见裂纹面较为粗糙,呈 黑色,无金属光泽和明显塑性变形,如图1(c)所示, 说明发生了高温氧化和宏观脆性开裂。

1.2 化学成分

采用CS844型红外碳硫分析仪、723PC型可见分 光光度计和iCAP6300型等离子体发射光谱仪对开裂 螺旋管进行化学成分分析。由表1可知,开裂螺旋管 的化学成分符合 ASMESB-407-2013对 N08810合 金的化学成分要求,说明螺旋管的化学成分合格。

1.3 低倍组织

截取带裂纹螺旋管剖面试样,经磨床磨光后使 用硫酸 铜 盐 酸 溶 液 (10gCuSO4 +50 mL HCl+ 50mL H2O)擦拭后观察低倍组织。由图2 可见, 裂纹起源于外壁焊接热影响区,扩展方向与管壁大 致垂直,无其他明显低倍组织缺陷。

1.4 显微组织及微区成分

在螺旋管裂纹末端及远离焊缝区的母材上截取 金相试样,经 镶 嵌、磨 抛 后 用 王 水 进 行 腐 蚀,通 过 ZEISSObserverZ1型光学显微镜和 ZEISSSigma 500型扫描电子显微镜(SEM)观察显微组织。由 图3和图4可以看出:裂纹附近显微组织由等轴奥 氏体+沿晶界连续分布的片线状碳化物组成,部分 碳化物附近存在空洞和由空洞串联形成的微裂纹; 裂纹附近的晶界与正常晶界相比较粗且颜色较深;裂纹沿晶界扩展,其上存在黑色产物,且该产物存在 分层现象,即两层深色物质之间分布着白色物质;母 材组织亦为奥氏体+沿晶界分布的碳化物,但晶界 碳化物周围未见异常。 利用扫描电镜附带的能谱仪(EDS)对裂纹上的产物进行成分分析。由图5和表2可知:深色物质 (位置1)的氧质量分数达20%,应为氧化产物;浅色 位置(位置2)处的铬质量分数较低,仅为1.1%,远 低于基体(位置3)的,说明此处为贫铬区

1.5 微观形貌

采用 ZEISSSigma500型扫描电子显微镜观察 人工打开后的裂纹面和剖面形貌。由图6可以看出: 裂纹扩展形式为沿晶扩展,与显微组织分析结果一 致;裂纹面完全被疏松多孔的产物覆盖,观察不到金 属基体,说明氧化严重。螺旋管外壁表面也存在氧化 物,氧化物沿晶界渗入到基体内部,如图7所示。

2 开裂原因分析

由上述理化检验结果可知:该 UNSN08810合金螺旋管的化学成分符合技术要求;螺旋管发生沿 晶脆性开裂,裂纹表面氧化严重,开裂区附近的晶界 碳化物周围可见空洞以及由空洞串联形成的裂纹, 说明材料发生了高温蠕变。 在一定温度下,原本固溶于金属基体中的碳元 素会以碳化物的形式析出。当温度在700 ℃以上、 固溶温度以下时,碳化物在晶内和晶界呈点状析出, 对材料性能影响较小;温度降至650℃以下,碳化物 呈片线状在晶界析出,在600 ℃附近时沉淀速度最 快[3]。UNSN08810合金中的主要合金元素为铬和 镍,其中铬为强碳化物形成元素,易形成碳化铬析 出,其最佳使用温度在750 ℃左右。而螺旋管服役 时进 出 口 温 度 分 别 为 420,550 ℃,管 外 温 度 为 600 ℃,正处于沉淀速度最快的敏化温度区;长时间 处于该温度下时,碳化铬以片线状沿晶界连续析出,造成晶界弱化,使得裂纹更易萌生。同时,碳化铬的 析出导致晶界附近形成贫铬区,而高温氧化主要发 生在合金贫铬部位[7],因此开裂区域出现氧化物分 层排布的现象。 高温氧化现象是蠕变断裂的显著特征之一。蠕 变断裂分为穿晶断裂和沿晶断裂两种。该螺旋管蠕 变断裂前几乎无塑性变形,损伤表现为沿晶裂纹的 产生与扩展。沿晶裂纹有两种形成机制:一是楔形 裂纹,产生于三叉晶界处;二是晶界空洞,产生于晶 界台阶、第二相等不连续处[8]。由于沿晶界分布的 碳化物使晶界滑动受阻,导致应力集中,微小空洞首 先在碳化物和相邻晶粒的界面上形成[9] ;微小空洞 的存在 将 极 大 地 降 低 构 件 的 应 力 持 久 强 度 和 寿 命[10]。该螺旋管的开裂形式即属于晶界空洞机制。 螺旋管采用焊接成形,尺寸巨大,在自身重力影响下 存在一定的弯曲应力,加上工作时气体流动产生的 振动应力及焊接残余应力等作用,碳化物周围的微 小空洞逐渐扩展长大,最终形成晶界裂纹。

3 结论及建议

(1)该 UNSN08810合金螺旋管发生了蠕变开 裂,开裂形式为脆性沿晶开裂。在服役温度较低、抗 蠕变能力较弱的焊接热影响区中碳化物沿晶界呈片 线状析出,使得附近形成贫铬区,碳化物周围出现较 多空洞缺陷;在弯曲应力、振动应力和焊接残余应力 等的综合作用下,空洞逐渐扩展长大,最终形成裂纹。(2)建议采用最佳服役温度在600 ℃左右的碳 含量更低的 N08800合金来制造该加热器螺旋管。

来源：材料与测试网