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不锈钢蒸发器开裂原因分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-25  浏览次数:17 选择视力保护色:

[摘要]  中华不锈钢网讯息汇总:人工神经网络模型预测不锈钢在高温水中的应力腐蚀破裂郭浩2吕战鹏2冯国强2蔡it1杨武2(1.上海交通大学

  中华不锈钢网讯息汇总:人工神经网络模型预测不锈钢在高温水中的应力腐蚀破裂郭浩2吕战鹏2冯国强2蔡it1杨武2(1.上海交通大学材料学院上海20003(2上海材料研究所上海200437)应力腐蚀破裂(SCC)数据,预测奥氏体不锈钢在高温水(HTW)中的SCC敏感性。对304不锈钢(SS)和316SS的两组SCC数据,DLP模型经过长时间的训练周次并不收敛,而EF模型在有限的时间内收敛到一稳定值。304SS和316SS的SCC敏感性依赖于温度(T)溶解氧浓度(DO)氯离子浓度(丨C-)以及电位(E)。采用EF模型,待预测样本数据被包含在训练数组里(方法I)比不包含(方法U)的情况有更高的预测率。用于EF模型的SCC阈值(UV)影响预测率,当ThV<0 6时,对304SS而言,预测率的范围大约是0.66-0.90(方法I)0.60-0.79(方法U);对316SS,预测率范围约为081-0.98(方法I)078-090(方法U)。从预测率平均值来看,预测率服从正态分布,05应为最佳阈值。EF模型对定性预测ASS在高温水中的SCC行为有较高的预报率,是一个很有用的工具。
  
  在焊接的热影响区,尤其在熔合线附近的晶界上易析出碳化物,使该区域具有一定的应力腐蚀开裂敏感性;而在设备的焊接组装后又存在很大的残余应力,这样在腐蚀环境下,这些残余应力将加速设备的应力腐蚀开裂。
  
  某石化公司用直接氧化法生产的乙二醇的基本化学反应为第1步反应为氧化反应过程,第2步反应为水合反应过程,其中水合反应得到的是12.55%的乙二醇水溶液,该水溶液经五效蒸发浓缩至85%后送至贮槽以备用。
  
  此蒸发器由0Cr18Ni9材料焊接组装而成,其正常运行时的操作压力为0.515MPa,操作温度为162°C.在服役初期装置运行良好,未发现有裂纹,但经6年服役之后,发现其筒体与封头环焊缝的熔合线附近出现大量的网状裂纹以及垂直于焊缝的纵向裂纹。为了确定开裂原因,笔者对失效构件的微观组织、断口特征以及腐蚀产物进行了分析。
  
  2理化检验2.1金相分析在失效件的典型部位取样,在光学显微镜下对其纵向剖面与内表面进行观察。a显示了失效件侵蚀后的纵向主裂纹根部形貌,裂纹从内表面起裂,然后由内向外沿晶扩展。b显示了失效件侵蚀后的内表面主叉裂纹形貌,同样可以发现裂纹沿晶破坏特性,而且具有裂纹分枝。从b还可以看出,由于沿晶开裂,其中有的晶粒已脱落。表明焊接热影响区奥氏体晶界上有微裂纹和碳化物析出。
  
  2.2断口及腐蚀产物分析采用扫描电镜对失效件断口进行观察,断面上有明显的腐蚀产物,沿晶断口略有显现见。该部位的腐蚀产物的能谱分析结果(质量分数,下同)见表1.由此可知,腐蚀产物中存在5.03%的硫,铬的含量达到33. 66%,说明断面上有碳化铬,反映了开裂部位存在敏化,晶界上析出碳化铬,并在其附近形成贫铬区。
  
  对断口的其它区域进行观察,发现有一些小颗粒的腐蚀产物,其形貌见。对其进行成分分析,结果见表1.表明该腐蚀产物中,除了有较高的铬以外,还有硫和Cl-.说明在焊接热影响区产生的开裂与硫和Cl-腐蚀介质有关。
  
  中华不锈钢网讯息汇总:对靠近内壁断口的腐蚀产物进行能谱分析,分析结果见表1,同样有硫和Cl-存在,Cl-含量达到0.89%,同时铬含量相当高,达到46. 27%.说明内壁附近敏化较为严重,而且容器内壁直接接触腐蚀介质,腐蚀产生的裂纹由内壁向外壁扩展。同样在晶界上的铬达到24. 32%,说明晶界受到敏化而析出碳化物。
  
  断口腐蚀产物、小颗粒、内壁附近腐蚀产物和腐蚀晶界的主要化学成分分析结果在断口表面腐蚀产物较少的部位可以看到冰糖块状的沿晶断裂,见。裂纹尖端部位的断口为典型的冰糖状沿晶断裂,腐蚀产物较少。断口上有沿晶和穿晶的二次裂纹(见),说明应力也起着重要的作用。
  
  3分析与讨论的奥氏体不锈钢,经过固溶处理,使得碳元素处于不稳定状态。由于在焊接过程中热影响区(HAZ)的温度在敏化温度范围(450~850°C)内反复波动,因此该区域将经受不同程度的敏化影响,使钢中过饱和的碳向晶界扩散、析出并与晶界附近的铬形成铬的碳化物。对于0Cr18Ni9材料,碳化物一般为C123C6(或M23C6)l4.由于此种碳化物含有较高的铬,所以该碳化物沿晶沉淀而导致碳化物周围的基体中铬浓度的降低,形成贫铬区。当Cr23C6沿晶界沉淀呈网状时,贫铬区亦连接呈网状。贫铬区钝化能力显著降低,钝态受到破坏,晶界临近区域电位下降,而晶粒本体仍维持钝态,电位较高。于是在晶界附近(贫铬区,阳极)与晶粒本身(钝态,阴极)构成具有很大电位差的活态钝态微电池,电池具有大阴极小阳极的面积比14,'这样在腐蚀介质(如Cl-,OH-和硫元素)作用下,晶界易受腐蚀而产生裂纹。
  
  在失效件的断口和内壁附近的能谱分析中检验出了C1-和硫元素,这也就是说在造成应力腐蚀的环境中存在C1-和硫元素,C1-的存在可以认为是循环水中所带的微量C1-在蒸发器内表面的浓缩积聚。C1-具有很强的穿透力,它吸附到金属的表面(尤其在贫铬区),破坏了金属表面的钝化,促进金属的溶解,当金属表面的再钝化能力丧失的时候,产生微裂纹,在应力的作用下裂纹沿着贫铬区扩展,从而产生晶间型的应力腐蚀裂纹。根据现场调查了解,C1-可能来自前面的反应过程中未完全处理掉的抑制剂二氯乙烷;硫的来源主要来自循环水处理使用的硫酸,使得含12. 55%乙二醇的水溶液进入蒸发器带有S2.而有关已证明高温水溶液中只要有微量的SO4-的存在,对敏化不锈钢的晶间应力腐蚀具有促进作用。在乙二醇水溶液蒸发过程中,溶液的温度最高可达190°C左右,Cl-和SO4-的同时存在以及较高的操作温度对不锈钢的应力腐蚀起到加剧作用,造成乙二醇蒸发系统中前四效蒸发器产生晶间应力腐蚀开裂。
  
  从金相和断口分析可知,乙二醇不锈钢蒸发器发生开裂的部位在封头与筒体的焊接热影响区,而裂纹扩展以沿晶为主并带有方向性。因此,可以确定乙二醇不锈钢蒸发器发生的开裂是晶间应力腐蚀开裂。
  
  4结论通过金相分析和断口腐蚀产物的分析,可以确定0Cr18Ni9材料在焊接过程中受到敏化影响,在焊接热影响区,晶界上析出碳化物致使晶界附近贫铬,造成材料抗腐蚀能力的降低,在应力和腐蚀介质(cr和s4-等)的共同作用下,材料受敏化部位首先沿晶腐蚀开裂,并沿晶扩展,产生网状裂纹。
  
  为了预防乙二醇不锈钢蒸发器的晶间应力腐蚀开裂的现象,首先应该选择合适的材料,生产中应避免出现腐蚀性介质;同时在蒸发器的焊接制造过程中,应尽可能控制好焊接工艺参数,减少敏化程度;最后应尽可能地降低焊接残余应力和装配应力。
  
  2SCC预测的ANN模型2.1输入和输出参数影响ASS在高温水中SCC的主要环境因素有T、DO、E、等,因而本工作的神经网络模型计算主要以T、DO、E和作为输入向量,以应力腐蚀指数(SCCI)作为目标向量。其中,应力腐蚀指数是对SCC发生与否的一种定量化描述,即当发生SCC时,该指数为1;不发生时,应力腐蚀指数为0.基金项目:国家重点基础研究专项经费资助项目(G19990650)22神经网络模型,包10一3)。其中有3组数据是介于0和1之间的值,表示U形弯曲SCC试验中断裂试样数与总试样数之比值。
  
  中华不锈钢网讯息汇总:数据的ANN模型(DLP和EF)训练结果采用304SS在HTW中的70组数据分差在训练次数达到800次时仍呈现振荡特征,不能收敛;而EF模型的训练误差在训练次数达到30次时,已经能够基本上收敛于10以下()。因而从误差分析的角度来看,EF模型更适合用来预测304SS的应力腐蚀行为。

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