鈦（TA2）、SAF2205、304、316L換熱管 加工成U型管的應(yīng)力腐蝕性能對比
管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)簡單，堅固，材料范圍廣，管束可以自由伸縮，不會因換熱管與殼體之間的壁溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力，且管束可以抽出，抽出部分重量輕，設(shè)計制造工藝成熟，安全性比較高以及適用性比較廣等特點，成為石油化工領(lǐng)域中最常用的換熱器結(jié)構(gòu)型式，而被廣泛采用。U型管式換熱器結(jié)構(gòu)見圖1。雖然U型管式換熱器換熱管與殼體之間不存在熱應(yīng)力問題，但是U型管式換熱器在實際應(yīng)用中常常存在發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象的兩個必要條件：
（1）構(gòu)件處于拉應(yīng)力狀態(tài)。U型管結(jié)構(gòu)中由于兩直管段膨脹量不同而導(dǎo)致溫度應(yīng)力，且U型管在彎制后在彎管段外緣存在較大的殘余拉應(yīng)力。
（2）構(gòu)件處于應(yīng)力腐蝕環(huán)境中。由于水分不斷蒸發(fā)，Cl離子濃度會不斷增加。根據(jù)調(diào)查，奧氏體不銹鋼在含有2PPM的氯化物水溶液中，溫度低于200℃即會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。
因此，有必要對不同材料、不同狀態(tài)的U型管進(jìn)行應(yīng)力腐蝕性能試驗研究。
1.應(yīng)力腐蝕試驗
（1）選擇試驗標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)U型換熱管情況，為模擬U型管使用狀態(tài)，試驗標(biāo)準(zhǔn)選用GB/T17898《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中的應(yīng)力腐蝕試驗方法》，采用其中的U型彎曲試驗條件。由于鈦、不銹鋼等材料沒有相應(yīng)的應(yīng)力腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)，因此參照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行應(yīng)力腐蝕性能評價試驗。
（2）試驗材料
鈦（TA2）、SAF2205、304、316L換熱管，規(guī)格為Φ25mm×2mm。
（3）試樣型式
試樣選用U型試樣，兩種彎曲半徑（R1＝67.5mm、R2＝52.5mm），L＝120mm，見圖2。
（4）試樣狀態(tài)
根據(jù)不同材料，不銹鋼材料分未固溶處理和固溶處理（1050℃×3min）兩種狀態(tài)；TA2換熱管分消應(yīng)力熱處理（540℃×15min）和未消應(yīng)力兩種狀態(tài)，SAF2205材料分未固溶處理和固溶處理（1050℃×3min）兩種狀態(tài)。
（5）試驗條件
參照GB/T17898使用濃度約為42％的氯化鎂水溶液，沸點（143±1）℃；試驗過程保證溶液處于微沸狀態(tài)，溫度約（143±1）℃；試驗采用恒位移法，通過夾具將U型換熱管開口端固定；試驗容器為帶有冷卻能力的回流冷卻器，防止試驗溶液濃縮；加熱采用電爐。
（6）試驗過程
按圖2制備試樣，用夾具將兩直管段間的寬度壓縮一定位移來施加壓力，夾具與試樣之間墊入絕緣材料，檢查試樣表面是否有缺陷，然后清洗試樣表面。在燒瓶內(nèi)將氯化鎂液加熱至沸騰，然后注入試驗容器并加熱，待溶液完全沸騰后放入施加壓力的試樣，記錄時間作為試驗開始時間；試驗過程中每隔24h將試樣取出，用蒸餾水沖洗干凈后放大鏡觀察試樣表面情況；觀察后如無裂紋則立即將試樣放入沸騰溶液中，繼續(xù)試驗；重復(fù)觀察，記錄從試驗開始到觀察到裂紋產(chǎn)生的時間為宏觀裂紋發(fā)生時間，記錄從試驗開始到裂紋穿透管壁所需的時間為裂紋貫穿時間；試驗周期內(nèi)，至少7天更換一次溶液。
2.試驗結(jié)果及分析
（1）試樣破壞
大部分試樣在圓弧頂部附近產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致斷裂（見圖3），少量試樣在圓弧段多處產(chǎn)生條裂紋(見圖4、圖5)；裂紋從圓弧外定點處萌生，向內(nèi)部擴(kuò)展。
（2）性能分析
各種材料U型管斷裂數(shù)據(jù)見附表。試驗結(jié)果表明，鈦材料耐應(yīng)力腐蝕性能十分優(yōu)良，無論是否熱處理過的彎管在沸騰42%MgCl2溶液中幾乎都無應(yīng)力腐蝕傾向；除TA2材料外，其他試樣在42% MgCl2沸騰溶液中均發(fā)生斷裂，其應(yīng)力腐蝕開裂門檻值在40%ss以下；固溶處理對304、316L材料抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能有較大的影響，固溶后這種材料的斷裂時間提高2～3倍。
U型管試驗數(shù)據(jù)各種材料U型管斷裂數(shù)據(jù)
時間/h 材料 | 應(yīng)力水平 | ||||
40%ss | 60%ss | 80%ss | 100%ss | ||
316L | 固溶 | 384 | 168 | 384 | 384 |
未固溶 | 168 | 168 | 168 | 168 | |
304 | 固溶 | 216 | 216 | 336 | 216 |
未固溶 | 72 | 72 | 72 | 72 | |
2205 | 固溶 | 504 | 504 | 456 | 456 |
未固溶 | 168 | 144 | 72 | 72 | |
Ti | 熱處理 | 未斷 | 未斷 | 未斷 | 未斷 |
未熱處理 | 未斷 | 未斷 | 未斷 | 未斷 | |
（3）斷口分析
典型試樣斷口照片見圖6。圖6得出了具有代表性的SAF2205材質(zhì)U型管應(yīng)力腐蝕斷口形貌，從圖中可以看出，無論是否進(jìn)行固溶處理，其斷裂模式均為經(jīng)典的脆性斷裂，斷口表面覆蓋有電解質(zhì)沉積層或結(jié)晶球，斷口有沿晶開裂這一應(yīng)力腐蝕開裂特點。材料斷口內(nèi)部出現(xiàn)了分布不均勻的微裂紋，這是明顯的穿晶開裂的特征。采用固溶處理以后，斷口出現(xiàn)了明顯的云紋堆積，有效的增大了斷裂紋擴(kuò)展的路徑，穿晶開裂裂紋明顯減小，這是固溶處理后U形管耐應(yīng)力腐蝕能力提升的主要原因；此外，經(jīng)固溶處理后，奧氏體不銹鋼斷口處晶粒分布更加均勻，其組織內(nèi)的缺陷明顯減少，在斷口處出現(xiàn)了少量驗證韌性斷裂的韌窩，這是其性能提升的次要原因，該現(xiàn)象與奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理后出現(xiàn)相態(tài)轉(zhuǎn)變和相區(qū)分布改變有關(guān)。
4.結(jié)語
根據(jù)試驗結(jié)果及分析，可得出如下結(jié)論：
（1）U型管R段頂部是應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的主要區(qū)域。
（2）鈦材U型換熱管彎制后，不經(jīng)消除應(yīng)力熱處理，抗應(yīng)力腐蝕性能依然很優(yōu)越，在實際制造過程中，彎制后可以不進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。
（3）對SAF2205雙相不銹鋼、316L、304等材料，冷彎成形的U型管，固溶處理后抗氯離子應(yīng)力腐蝕性能明顯優(yōu)于未經(jīng)固溶處理的U型管。因此，在U型管彎制后，應(yīng)進(jìn)行固溶處理，以提高其抗應(yīng)力腐蝕能力。
（4）SAF2205雙相不銹鋼材料U型管經(jīng)固溶處理后，其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于固溶處理后的316L、304奧氏體不銹鋼U型管。
文：趙延峰，中國石油天然氣第一建設(shè)公司。
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