导热油盘管失效分析

张丽丽 魏其凡

摘要：通过对导热油盘管的化学成分、金相组织、裂纹形貌以及腐蚀产物等进行分析，结果表明：导热油盘管成分没有偏析，应力腐蚀开裂是导热油盘管失效的主要原因。

关键词：导热油盘管;失效分析;应力腐蚀

中图分类号：O346.1                                    文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）10-0040-02

0  引言

导热油盘管一般采用304不锈钢材质，304不锈钢耐酸碱腐蚀，广泛应用于各类高温环境运行设备。某公司的导热油盘管在使用一段时间后出现裂纹，为了找出导热油盘管裂纹的原因，该公司委托我们对导热油盘管进行失效分析，失效的导热油盘管通过对其化学成分、金相组织、扫描电镜和能谱仪对其裂纹和腐蚀产物进行分析。

应力腐蚀开裂是指在腐蚀性环境中，受到拉应力的合金由于裂纹的扩展而发生失效的局部腐蚀之一。应力腐蚀开裂形成条件：一是拉应力，二是应力腐蚀环境（含温度、腐蚀性介质）。应力腐蚀开裂一般是无明显宏观变形且无任何征兆的情况下突然发生断裂，因此，其是破坏性和危害性最大的局部腐蚀之一。在腐蚀过程中，若有微裂纹的扩展速度比其他局部腐蚀速度快几个数量级。例如桥梁坍塌、飞机失事、油管爆炸、管道泄漏、石油化工等都造成巨大的生命和财产损失。

1  实验部分

电感耦合等离子体光谱仪JY2000， 岛津;碳硫分析仪CS800，德国Eltra;扫描电镜S4800，日立扫描电镜;能谱仪350;金相显微镜AXIO Imager A2m，德国蔡司Zeiss;立体显微镜stemi2000，德国蔡司Zeiss。

2  结果与讨论

2.1 化学成分分析

取一段被腐蚀导热油盤管，对其化学成分进行分析，由表1可知，根据标准JIS G 4303-2012中的技术指标要求，导热油盘管成分符合304不锈钢要求。

2.2 金相分析

由图1可知，通过金相显微镜观察导热油盘管显微组织为奥氏体和少量碳化物。点蚀由内壁萌生，还有黑色点状碳化物，在晶界含有碳化物，破坏了奥氏体的单相性，导致其抗点腐蚀性能大大降低。导热油盘管中有空洞和裂纹，主裂纹主要是沿轴向扩展，较多且粗大，二次裂纹走向不规则较随意，裂纹主要是穿晶裂纹，与应力腐蚀开裂一致，因此，应力腐蚀开裂是其失效主要原因，应力腐蚀降低了材料强度和性能。

2.3 裂纹断口微观形貌

采用扫描电镜（SEM）对其裂纹断口微观形貌进行分析，见图2。由图2可知，扫描电镜对裂纹进行形貌分析，导热油盘管断口表面高低不平且锈蚀严重，还含有大量空洞、蚀坑和裂纹，裂纹基本上沿着晶界向轴向扩展，裂纹主要是穿晶裂纹，裂纹有很多分叉，裂纹“根须”细长而带有分支，裂纹断口为典型脆性断裂。脆性断裂一般是没有明显塑性变化，突然发生断裂，危害极大。

2.4 腐蚀产物分析

采用能谱仪对腐蚀产物进行分析。由图3可知，腐蚀产物聚集在裂纹周围及裂纹内，腐蚀产物主要为氯化物、氧化物和硫化物。

应力腐蚀开裂是金属构件在静应力和特定的腐蚀介质作用下发生脆性断裂。应力腐蚀开裂必备的条件：一是要有拉应力，不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之;二是腐蚀环境（高温和腐蚀性介质）存在，金属材料在腐蚀环境中易发生应力腐蚀开裂。

导热油盘管为304不锈钢，导热油盘管应力一方面是管道正压和和负压对管壁的压力，另一方面是冷热不长时的轴向应力，以及在导在焊接和加工成型过程中产生的残余应力，这三种力可以满足导热油盘管应力腐蚀开裂的临界应力的应力条件。

在高温腐蚀介质（氯化物、硫化氢、硫酸、碱）等环境中304不锈钢容易发生应力腐蚀开裂。由能谱仪谱图可知，在高温高压下，腐蚀性离子（硫和氯）与304不锈钢钝化膜中的阳离子发生电化学腐蚀，形成点蚀孔洞。点蚀孔洞受到应力集中作用从而破坏钝化膜，加速了阳极腐蚀，多次反复作用下，裂纹纵深很深。因此，氯离子和硫离子是应力腐蚀开裂的重要因素之一。此外，在不同部位存在供氧差异和介质浓度差异，在被腐蚀的304不锈钢板表面会形成许多腐蚀微电池化学反应，造成腐蚀。因此，在应力和腐蚀的作用下导致裂纹形成。在含氯化物环境下应用，使用温度为60℃就存在氯化物应力腐蚀风险。使用温度越高，氯化物浓度越高，氯化物应力腐蚀开裂风险越高。在高温情况下，氯离子浓度只要达到1mg/L，就发生破裂。导热油盘管使用温度为280℃，含有腐蚀性化合物氯化物和硫化物，因此，证实裂纹产生是由应力腐蚀开裂。

3  结论

导热油盘管成分属于304不锈钢，未发生偏析;盘管断口高低不平，金相分析材料内部有很多空洞和穿晶裂纹，树枝状裂纹，断口微观是脆性断裂，穿晶裂纹穿晶裂纹;能谱分析表明产物中含有硫化物、氧化物和氯化物。综上所述，导热油盘管使用环境为高温（280℃），还含有腐蚀物质-氯化物和硫化物，因此，应力腐蚀开裂是导热油盘管失效的主要原因。

参考文献：

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