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利用金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜儀對(duì)立式硅烷塔再沸器的斷裂失效不銹鋼換熱管進(jìn)行了金相組織分析、宏觀及微觀形貌觀察、化學(xué)成分以及結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀況分析，探討了管材的失效原因和機(jī)理。結(jié)果表明，不銹鋼換熱管外介質(zhì)為導(dǎo)熱油和雪油，在未知原因下，有含有氯離子腐蝕性介質(zhì)引入導(dǎo)熱油中，導(dǎo)致304不銹鋼換熱管出現(xiàn)局部腐蝕和電腐蝕，在氯離子和應(yīng)力腐蝕作用下開裂。

1引言

某立式硅烷塔再沸器的不銹鋼換熱管運(yùn)行半年后出現(xiàn)泄漏，檢查發(fā)現(xiàn)其中幾根不銹鋼換熱管出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫。再沸器的殼程介質(zhì)導(dǎo)熱油—雪油，導(dǎo)熱油溫度為150~200℃左右，導(dǎo)熱油在換熱器殼程自下而上流動(dòng)，殼程上側(cè)設(shè)有出口，殼程工作壓力為0.3MPa，雪油中的含水量不大于80ppm；管程介質(zhì)為氯硅烷，介質(zhì)從管程的下側(cè)入口進(jìn)入換熱器下管箱，并通過每根不銹鋼換熱管到達(dá)上管箱，管程介質(zhì)溫度為100~150℃，管程工作壓力為3MPa，介質(zhì)中不含水。

此失效不銹鋼換熱管材質(zhì)為304冷軋無縫管，規(guī)格：Φ25×2，固溶后酸洗狀態(tài)。失效前符合GB13296-2013標(biāo)準(zhǔn)，且使用前已經(jīng)取樣進(jìn)行了拉伸、壓扁、擴(kuò)口、渦流、超聲及水壓試驗(yàn)，結(jié)果為合格。不銹鋼換熱管與管板、折流板、殼體等零件進(jìn)行組裝并制造成硅烷塔再沸器，對(duì)再沸器進(jìn)行的水壓和氣密試驗(yàn)均合格。該設(shè)備為整個(gè)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，分析其不銹鋼換熱管失效的原因?qū)�今后工作具有重要指�?dǎo)意義。

2失效管宏觀形貌

2.1管材內(nèi)外表面宏觀形貌

對(duì)疑似泄漏的不銹鋼換熱管進(jìn)行內(nèi)窺鏡分析，發(fā)現(xiàn)有5~6根不銹鋼換熱管出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，取其中兩根失效管材，分別為1#、2#，并將管材從失效處切割下來，其中1#管材裂紋為貫穿性裂紋，2#管材裂紋較小。觀察1#管材外表面，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)有多條肉眼可見裂紋，裂紋長(zhǎng)10~20mm，裂紋較為曲折，近似沿軸向分布，通過線切割將管材縱向切割，管材內(nèi)表面仍有裂紋，裂紋貫穿性分布。圖2為2#管材從裂紋處冷切割下來的裂紋試樣區(qū)，2#試樣外表面有凹坑和黃色物質(zhì)，裂紋處未出現(xiàn)張口，圖2右為2#管材內(nèi)表面PT滲透后的照片，其內(nèi)表面有輕微缺陷，但無明顯裂紋，說明2#管材的裂紋從外表面開始，還未延伸至內(nèi)表面。

2.2斷口宏觀形貌

為進(jìn)一步分析，將1#試樣從表面裂紋處掰斷，通過體視顯微鏡觀察斷口處形貌，如圖3所示，從新舊斷口顏色不同來看，斷口呈現(xiàn)發(fā)黃發(fā)黑現(xiàn)象，從裂紋斷口來看，原始裂紋從外表面向內(nèi)貫穿。

3失效管材性能分析

將失效管材在無肉眼可見裂紋處取樣，按照GB/T 13296不銹鋼換熱管標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)、化學(xué)檢測(cè)。

3.1力學(xué)性能

失效304不銹鋼換熱管力學(xué)性能如表1所示，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率都遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，說明失效管的無裂紋區(qū)域力學(xué)性能合格。

3.2化學(xué)成分分析

分析失效不銹鋼換熱管，其化學(xué)成分如表2所示，說明未在裂紋區(qū)的材料滿足材料標(biāo)準(zhǔn)要求，C含量也在正常范圍內(nèi)。氧氮?dú)錇?/span>GB/T 13296標(biāo)準(zhǔn)以外測(cè)量的間隙元素含量，通過LECO公司最新的ONH設(shè)備，測(cè)出的O和H含量均很低，說明管材沒有大規(guī)模的吸氫、吸氧的行為。

4失效不銹鋼換熱管微觀分析

4.1裂紋區(qū)域的低倍和金相分析

將裂紋試樣的環(huán)狀截面區(qū)域進(jìn)行磨拋和腐蝕，并在10倍體視顯微鏡下，觀察如圖4，環(huán)狀截面上存在多處向內(nèi)表面延伸的小裂紋，有些未達(dá)到內(nèi)表面處，在管材內(nèi)部時(shí)裂紋已經(jīng)停止。觀察試樣金相（100倍）可以看到，管子裂紋從外表面開始，向內(nèi)部延伸，裂紋終端較為平滑，不尖銳，裂紋形式為穿晶裂紋。

4.2試樣裂紋區(qū)的表面與斷口分析

在電鏡下觀察其斷口形貌，從50倍電鏡下可以看出（見圖6(a)），在斷口上，仍存在裂紋，從管材外表面為起點(diǎn)，不斷向內(nèi)表面延伸，且移動(dòng)電鏡視野，發(fā)現(xiàn)斷口處的裂紋不止一條，均為外表面向內(nèi)表面延伸的裂紋，這說明了在管材處的裂紋源不止一處，而是數(shù)個(gè)小裂紋匯聚而成。在靠近外表面斷口尤其是裂紋附近，有大量顆粒狀的異物，靠近內(nèi)表面時(shí)仍然存在，但數(shù)量有所減少。

對(duì)圖像進(jìn)行放大，見圖6(b)，然后進(jìn)行能譜分析，在非異物區(qū)，如圖6(d)，主要元素除了Fe以外，還有Cr、Ni、C、O，其中Cr、Ni元素與標(biāo)準(zhǔn)以及表面正常區(qū)域相比，其元素含量大幅度降低，而Cr、Ni元素主要是耐腐蝕性元素，含量的降低意味著其耐腐蝕性能的大幅下降，而C、O元素也比表面正常區(qū)域元素含量高，由于此斷口為新掰斷的斷口，受到污染的可能性遠(yuǎn)低于其外表面，這說明其C、O含量的增多更大的原因是受到了腐蝕。在斷口異物區(qū)進(jìn)行能譜分析，見圖6(c)，Cr含量?jī)H為2.2%，Ni含量?jī)H為1.2%，耐腐蝕性能極差，且大幅增加了O、C、Cl等元素。因此可判斷，斷口處是受到了腐蝕，腐蝕后的腐蝕產(chǎn)物主要包含C、O、Cl、Fe等元素。

5結(jié)論

（1）304失效管材拉伸性能合格，化學(xué)成分合格，且非裂紋區(qū)平均氫氧含量較低，管材無大規(guī)模吸氫吸氧的情況，管材組織為奧氏體組織。

（2）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)中，不銹鋼換熱管材外表面處發(fā)生局部腐蝕，表面凹凸不平，將管材從裂紋處掰斷，舊裂紋已經(jīng)基本貫穿不銹鋼換熱管，不銹鋼換熱管裂紋從外表面開始，不斷延伸到內(nèi)表面，斷口處越靠近外表面，腐蝕產(chǎn)物越多，腐蝕產(chǎn)物中含有Fe、O、C、Cl、Si、Cr等元素。

（3）在管材的斷口處和環(huán)形截面上均存在長(zhǎng)短不一的小裂紋，從外表面起始，向內(nèi)表面進(jìn)行延伸擴(kuò)展，多個(gè)小裂紋匯集，說明不銹鋼換熱管的裂紋源不唯一；從金相上看，裂紋為穿晶開裂，裂紋終端不尖銳。

（4）從本次失效分析中可以看出，裂紋首先是由管材外表面處引起的，不銹鋼換熱管外介質(zhì)為導(dǎo)熱油和雪油，在未知原因下，有含有Cl離子腐蝕性介質(zhì)引入導(dǎo)熱油中，導(dǎo)致304不銹鋼換熱管出現(xiàn)局部腐蝕和點(diǎn)腐蝕，在Cl離子和應(yīng)力腐蝕作用下開裂。