文 献 综 述

柴油加氢换热器0Cr18Ni9换热管开裂原因分析

1、 课题研究的意义及背景

压力容器的用途十分广泛。它在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备，换热器属于压力容器的一种所以换热器内部部件的材料对安全性也提出很高的要求[1]。换热器结构的复杂性和使用工况的多样性，常常引发多种形式的失效，换热管是换热器主要部件因此换热管的失效会对换热器工作影响很大[2]。304H不锈钢是产量和消费很大的，具有良好的力学性能，耐热性能和优良的耐腐蚀性，在能源化工等很多领域都有广泛的应用[3-4]。

0Cr18Ni9作为不锈钢耐热钢使用最为广泛，具有良好的机械性能、好的低温性能。0Cr18Ni9钢板截面尺寸的焊接件具有足够的耐晶间腐蚀能力，在氧化性酸(HNO3)中具有优良的耐蚀性，在碱溶液和大部分有机酸和无机酸中以及大气、水、蒸汽中耐蚀性亦佳。一般用于食品用设备，化工设备，原子能用设备[5-6]。

表1 0Cr18Ni9的成分分析

2、换热器0Cr18Ni9材料换热管的国内外研究进展和存在的问题

2.1 0Cr18Ni9材料的回顾与发展前景

一般来讲0Cr18Ni9就是304不锈钢板，0Cr18Ni9Ti就是321，一个是国标，一个是美标。321是因为原来冶炼技术不好，无法降低碳含量才研制的，现在因冶炼技术的提高，超低碳钢冶炼已经很平常。目前321的产量已经很少了。0Cr18Ni9钢在一些条件下存在严重的晶间腐蚀倾向。在开发初期，因冶金生产降碳较难，一度曾防碍了它的广泛应用，在20世纪70年代新的二次精炼方法AOD和VOD工艺成功用于生产后，此钢才真正得到广泛应用。0Cr18Ni9钢材强度很高，但其敏化态耐晶间腐蚀能力显著低于其他一些钢材。除强度外，此钢的其他性能也很好。一般用于食品设备，原子能用工业设备[7]。

3、0Cr18Ni9换热管开裂原因及分析

0Cr18Ni9换热管开裂采用金相分析，光学显微镜和扫描电镜，能谱分析等试验手段分析了加氢加热器壳体及换热管部分出现开裂的原因。结果表明：该裂解器加热器壳体及换热管的开裂属于腐蚀开裂[8-9]；从几个部分材料含碳量，焊接部分的影响，材料硬度力学性能，本身材料组织结构，还有材料工作的环境的影响的腐蚀开裂提供了介质条件和应力条件。还有从开裂的形貌判 断换热管可能发生开裂的原因[10]。比如一开裂口裂纹在管内壁较长，外壁较短，有些管壁内部有裂纹，外部而没有，由此说明裂纹首先由内壁开裂，然后向外延伸，另外裂纹都是向外沿纵向开裂，取此开裂部位通过扫描镜下观察断面具体情况及氧化情况，再通过成分分析研究工作环境方面可初步得出此管子部位开裂的原因及改进措施[11-12] 之后结果分析，通过宏观检查和断口观察结果说明此换热管开裂的现象，开裂的裂口的形式及形成原因，而后总结出改善措施使换热管开裂现象能得到有效的缓解[13-14]。

现在此次研究对象柴油加氢换热器中换热管开裂的原因大致是以下几种：（1）材料含碳量的影响；（2）焊接热影响区；（3）硬度的影响；（4）钢组织的影响；（5）环境的控制。

（1）材料含碳量的影响：产生连多硫酸应力腐蚀破坏是往往与奥氏体钢的晶间腐蚀密切相关，是由于奥氏体钢的”敏化”或者在使用过程中在晶界附近产生铬的碳化物沉淀，在晶界附近的析出Cr23C6碳化物，所以晶界附近的严重贫铬，从而导致沿晶敏感性增大。所以这些区域首先发生晶间腐蚀。

（2）焊接热影响区：焊接热影响区会存在焊接产生的残余应力，残余应力会给应力腐蚀开裂提供条件，往往开裂会优先发生在这个地方。

（3）硬度的影响：钢的硬度越高，硫化物应力腐蚀开裂敏感性越大，洛氏硬度小于20时，钢对硫化物应力腐蚀开裂敏感度很小，大于30时，应力腐蚀开裂敏感性越大，所以控制洛氏硬度也是可以改善腐蚀现象的。

（4）钢组织的影响：奥氏体组织的不锈钢，碳化物析出所以容易被敏化，但是铁素体，奥氏体双相不锈钢组织的钢对待应力腐蚀开裂性能很好。

（5）环境的控制：换热器的换热管工作的环境是发生腐蚀失效的关键之一，所以应该对材料的工作环境要严格控制，比如对与奥氏体不锈钢来说，就要尽量降低环境中的酸度，环境温度应保持在环境路点温度以上会好些[15-17]。

4、0Cr18Ni9材料换热管的实验分析

0Cr18Ni9材料换热管可能开裂的原因五点，接下来通过金相分析，电镜和能谱分析确定开裂的原因。

金相分析：金相分析是金属材料试验研究的重要手段，是采用定量金相学原理，由二维金相式样磨面的金相显微组织测量和计算确定合金的三维空间形式，建立合金成分及组织性能之间的定量关系；金相分析的步骤第一步：选取试样和取试样的方式；第二步：试样的大小尺寸不规整要镶嵌；第三步：将试样表面粗磨成合适的形状,研磨是精密加工的主要方法之一研磨加工可以使零件获得极高的尺寸精度，形状还有最高的表面粗糙度以及提高配合精度，研磨的原理是研磨是使零件与研磨工具在无强制的相对滑动或者滚动情况下加入研磨剂进行微切削和研磨液的化学作用，在零件表面生成易被磨削的氧化膜，从而加速研磨过程，研具分为手工研具和机械研具，研磨工具材料一般有：灰铸铁、低碳钢、铜、铝、木材和皮革等；机械零件工作表面或其它配合面为平面的配合件，当平面发生磨损或腐蚀时，如果零件尺寸较小和研磨要求不太高，可以在精度高的研磨平板上手工研磨修复。在研磨前，先将零件加工表面和平板清洗干净，将研磨剂均匀涂于零件待修表面上，并放于研磨板上；研磨时，用手按住零件，沿8字形轨迹运动，使磨痕交叉以提高表面粗糙度等级；研磨一段时间后，将零件转动一定角度再继续研磨。研磨时根据腐蚀、磨损情况，即研磨量的大小确定研磨工序和选用研磨膏。当研磨量大，就需要先进行粗研、再精研。互研时只需加润滑油而不需研磨膏。[18-19]抛光不仅是工作表面要求洁净，工作者的双手也必须仔细清洁，每次抛光时间不应过长，时间越短，效果越好。如果抛光过程进行得过长将会造成”橘皮”和”点蚀”。为获得高质量的抛光效果，容易发热的抛光方法和工具都应避免。比如：抛光轮抛光，抛光轮产生的热量会很容易造成”橘皮”。当抛光过程停止时，保证工件表面洁净和仔细去除所有研磨剂和润滑剂非常重要，随后应在表面喷淋一层模具防锈涂层。由于机械抛光主要还是靠人工完成，所以抛光技术目前还是影响抛光质量的主要原因。除此之外，还与模具材料、抛光前的表面状况、热处理工艺等有关。优质的钢材是获得良好抛光质量的前提条件，如果钢材表面硬度不均或特性上有差异，往往会产生抛光困难。钢材中的各种夹杂物和气孔都不利于抛光[20]。

；第四步：粗磨后表面不工整，需要进一步行进精磨为后面抛光作准备,，；第五步：对之前的试样进行抛光目的是将之前精磨后的试样的细微磨痕去除；第六步：用到显微镜，在显微镜下观察的试样进行金相腐蚀，常用的是化学腐蚀；化学侵蚀法是利用化学侵蚀剂通过化学或是电化学作用显示金属组织，纯金属和单相合金的侵蚀是一个化学溶解过程，因为晶界上原子排列规律差，都有较高的自由能，所以晶界处容易发生侵蚀，如果侵蚀比较浅由于垂直光线在晶界处的散射作用，在显微镜下可显示出金属多面体晶粒，侵蚀比较深的话在显微镜下可显示出明暗不一的晶粒，各晶粒的方向不同，溶解速度不同，侵蚀后显微镜下的角度和原来磨面加工的角度不同，在垂直光线照射下反射光线方向也不同，显示出明暗不一[21]。

电镜分析：电镜是使用电子来展示物体内部或表面的显微镜，是根据光学原理，用电子束和电子透镜代替光学透镜，可以使细微物体或组织用非常大的放大倍数成像的一种仪器。样本处理步骤基本是先固定样本，冷固定，脱干，垫入，分割，染色，扫描电镜是一种大型的精密仪器，由于其具有分辨率高，放大倍数变化范围宽立体感强，样品制备也相对于简单，为微观世界的探测提供了一种新的研究手段，所以本次课题研究用到扫描电镜分析对于分析问题和相关材料的观察有很大帮助，随着技术的发展，扫描电镜常常与其他仪器组合诸如能谱仪等，扫描电镜下对细微样品可以看出表面的情况及组织排列，这对研究材料的结构与性能之间关系提供了很多的方便，可以从微观角度对于我们认识的材料有一个直观的认识[22]。

能谱分析：能谱仪器的原理是各种元素都有自己的X射线特征波长，波长的大小取决与能级跃迁过程中释放的特征能量，而能谱仪是利用不同元素X射线光子特征能量不同这一点特征进行成分分析的，电子能谱仪是当用一定能量的电子束作用于试样上面，其表面原子不同能级的电子将激发成自由电子，这些电子表面带有试样的表面信息，具有特征能量，研究者收集这些电子并整理与记录它们的能量分布就是电子能谱分析，比如测出来两个元素的重量百分比然后和实际情况对比就可以知道成分的差距和正确性我们可以根据其中某些元素电子的百分比含量来分析研究碰到的额情况，这样很直接很直观的分析问题，给研究提供了很大的方便[23-24]能谱仪使用的范围很广泛；（1）高分子，陶瓷，生物，纤维无机物之类的材料的分析；（2）金属材料的相分析和成分分析；（3）可以对固体材料的表面涂层进行分析；（4）一些金银饰品宝石的鉴定，文物及考古之类的鉴定，还有刑侦鉴定等领域；（5）还有些材料表面成分的定性定量分析[25-26]。

5、0Cr18Ni9材料换热管加工处理工艺

换热管制造工艺大概有以下几步；领料、下料、弯管、拼焊、热处理、探伤、水压试验[27]。对国产超级双相不锈钢换热管的制造工艺包括炼钢、制管工艺和热处理工艺进行了研究;管坯炼钢采用电炉 AOD(氩氧脱碳法)双联法,制管选用热挤压或斜轧穿孔 冷轧工艺;管坯加热应保证加热温度准确和均匀[28]。

6、课题研究内容及技术路线

本课题拟通过实验来研究茶柴油加氢换热器0Cr18Ni9换热管开裂原因分析，主要研究内容如下：

1、初步确定0Cr18Ni9材料换热管开裂有可能会发生的情况和原因。

2、通过金相分析，电镜分析，能谱分析多种实验方法研究之中的材料成分，及一些数据分析来选定开裂的原因及处理方法或改进参数。

3、再研究生产换热管之中有可能遇到的加工工艺，可能是工艺操作导致开裂问题。

4、得出0Cr18Ni9材料管子有关的加工工艺参数，确定加工工艺对产品工作时的影响。

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0Cr18Ni9作为不锈钢耐热钢使用最为广泛，具有良好的机械性能、好的低温性能。0Cr18Ni9钢板截面尺寸的焊接件具有足够的耐晶间腐蚀能力，在氧化性酸(HNO3)中具有优良的耐蚀性，在碱溶液和大部分有机酸和无机酸中以及大气、水、蒸汽中耐蚀性亦佳。一般用于食品用设备，化工设备，原子能用设备[5-6]。

表1 0Cr18Ni9的成分分析