基于晶间腐蚀和应力腐蚀的不锈钢设备设计的探讨

发布时间：2026-4-28    点击数：30 基于设备损伤模式的设计，是将设备失效分析成果直接应用于工程项目，是设备设计不断改进的有效措施。本文的内容不足以完整叙述基于损伤模式的设备设计，以达到抛砖引玉为目的。 奥氏体不锈钢设备的晶间腐蚀和应力腐蚀是主要的损伤模式。两者具有截然不同的机理和形态。 晶间腐蚀是由于C元素与周围的Cr元素形成Cr23C6造成在晶界出现贫铬区，在某些环境出现晶间腐蚀。形成Cr23C6的温度各文献给出了不同的范围。450~850℃是其中的一例。 为提高奥氏体不锈钢的耐晶间腐蚀性能，一方面可以降低C含量（实践证明，奥氏体不锈钢中的C含量不超过0.03%，可以避免晶间腐蚀）；另一方面通过加入稳定化元素Ti或Nb且必须经稳定化处理（加热至850~900℃保温2~4小时，使得存在于晶界的Cr23C6溶解，C与Ti或Nb形成稳定的碳化物TiC或NbC）。须注意，不含稳定化元素Ti或Nb的不锈钢绝不可以做稳定化处理。因为那样会加大晶间腐蚀倾向。 但是经过稳定化处理的S321和S347等奥氏体不锈钢，在焊接熔池的高温HAZ中稳定化的碳化物（TiC或NbC）可被溶解，此时又可能形成富含Cr23C6的很窄的敏化区，而出现刀状的晶间腐蚀。在距离熔合线较远处TiC或NbC不会溶解，不产生敏化区。这类不锈钢选择合适的焊接工艺是避免刀状晶间腐蚀的有效方法。 奥氏体不锈钢设备在某些情况很容易产生应力腐蚀断裂，如碱脆、氯脆等。产生碱脆或氯脆的重要条件包括：① 苛性碱或氯离子的浓度；② 操作温度；③材料组织及状态；④残余应力σTb≈σs等因素。 下面列举几个不锈钢晶间腐蚀和应力腐蚀的案例，其照片及损伤描述均来自公开发表的文章。我们就此探讨相同应用的设备设计时针对其损伤模式需要采取的相应措施。 案例1：管壳式换热器管箱内壁不锈钢覆层晶间腐蚀 该换热器管箱材质：16MnR+S304，管箱焊后热处理温度为：620℃。 相同应用的设备设计时需要采取的措施：针对Q345R钢的覆层奥氏体不锈钢的设备GB/T150.4-2024之8.4.3将其列为应做焊后热处理的情形。对此应正确选材和合适的热处理规范和工艺。可采用超低碳不锈钢或稳定化不锈钢覆层。按照GB/T 4334推荐这些不锈钢的晶间腐蚀试验的敏化制度为650℃±10℃，保温2h，空冷。晶间腐蚀试验包括母材和焊缝。按照该标准晶间腐蚀试验合格的不锈钢焊后热处理可在某种程度上满足耐晶间腐蚀的要求。同理，对于不锈钢内件与有热处理要求的设备本体焊接的情况，如过滤器、反应器等，也应依此办理。请注意，超低碳及稳定化的奥氏体不锈钢的热处理也是必须谨慎的。出现的危害也有许多报道。 案例2：乙二醇装置奥氏体不锈钢封头应力腐蚀断裂 运行中发现封头与筒体对接的直边段出现垂直于环缝的大量裂纹。下面图2-1和图2-2所示封头材料包括304和304L。裂纹特征为每条裂纹起源于近焊缝的母材，均垂直于环缝且沿长度反向和母材深处发展，裂纹未到焊缝及热影响区。 案例3：设计参数为3.5MPa@-55℃的天然气低温分离器应力腐蚀断裂 分离器介质为天然气凝液。封头材料为0Cr18Ni9，采用冷冲压成形，开车运行仅8天封头直边段就出现裂纹。裂纹起裂于封头与筒体环焊缝的封头侧，沿封头径向向封头中心延伸。最长裂纹约50mm。开裂部位金相组织为奥氏体和形变马氏体，开裂处硬度值高达360HB，铁磁相含量最高达43.3%。 相同应用的设备设计时需要采取的措施：上述涉及的应力腐蚀断裂案例，其原文都明确给出了断裂部位的铁素体含量和硬度值，是引起应力腐蚀断裂的主要因素。在封头中心部位两者的数值与母材相当。GB/T150.4之8.3.1和GB/T 25198之6.8.3都给出马氏体的限制。材料的化学成分以及变形量是形变诱导马氏的体相转变量的重要因素。如304和304L比316和316L更容易形成马氏体。因此以马氏体含量作为控制值确定对封头、膨胀节及筒体等冷变形组件的固溶处理要求是比较合理的。 原创 学无止境 化工设备与管道小知识

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