鈦（TA2）、SAF2205、304、316L換熱管 加工成U型管的應力腐蝕性能對比
管殼式換熱器由于結構簡單，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生溫差應力，且管束可以抽出，抽出部分重量輕，設計制造工藝成熟，安全性比較高以及適用性比較廣等特點，成為石油化工領域中最常用的換熱器結構型式，而被廣泛采用。U型管式換熱器結構見圖1。雖然U型管式換熱器換熱管與殼體之間不存在熱應力問題，但是U型管式換熱器在實際應用中常常存在發生應力腐蝕現象的兩個必要條件：
（1）構件處于拉應力狀態。U型管結構中由于兩直管段膨脹量不同而導致溫度應力，且U型管在彎制后在彎管段外緣存在較大的殘余拉應力。
（2）構件處于應力腐蝕環境中。由于水分不斷蒸發，Cl離子濃度會不斷增加。根據調查，奧氏體不銹鋼在含有2PPM的氯化物水溶液中，溫度低于200℃即會發生應力腐蝕開裂。
因此，有必要對不同材料、不同狀態的U型管進行應力腐蝕性能試驗研究。
1.應力腐蝕試驗
（1）選擇試驗標準
根據U型換熱管情況，為模擬U型管使用狀態，試驗標準選用GB/T17898《不銹鋼在沸騰氯化鎂溶液中的應力腐蝕試驗方法》，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的應力腐蝕試驗標準，因此參照此標準進行應力腐蝕性能評價試驗。
（2）試驗材料
鈦（TA2）、SAF2205、304、316L換熱管，規格為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
根據不同材料，不銹鋼材料分未固溶處理和固溶處理（1050℃×3min）兩種狀態；TA2換熱管分消應力熱處理（540℃×15min）和未消應力兩種狀態，SAF2205材料分未固溶處理和固溶處理（1050℃×3min）兩種狀態。
（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，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，繼續試驗；重復觀察，記錄從試驗開始到觀察到裂紋產生的時間為宏觀裂紋發生時間，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，至少7天更換一次溶液。
2.試驗結果及分析
（1）試樣破壞
大部分試樣在圓弧頂部附近產生裂紋并導致斷裂（見圖3），少量試樣在圓弧段多處產生條裂紋(見圖4、圖5)；裂紋從圓弧外定點處萌生，向內部擴展。
（2）性能分析
各種材料U型管斷裂數據見附表。試驗結果表明，鈦材料耐應力腐蝕性能十分優良，無論是否熱處理過的彎管在沸騰42%MgCl2溶液中幾乎都無應力腐蝕傾向；除TA2材料外，其他試樣在42% MgCl2沸騰溶液中均發生斷裂，其應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型管試驗數據各種材料U型管斷裂數據
時間/h 材料 | 應力水平 | ||||
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U型管應力腐蝕斷口形貌，從圖中可以看出，無論是否進行固溶處理，其斷裂模式均為經典的脆性斷裂，斷口表面覆蓋有電解質沉積層或結晶球，斷口有沿晶開裂這一應力腐蝕開裂特點。材料斷口內部出現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，斷口出現了明顯的云紋堆積，有效的增大了斷裂紋擴展的路徑，穿晶開裂裂紋明顯減小，這是固溶處理后U形管耐應力腐蝕能力提升的主要原因；此外，經固溶處理后，奧氏體不銹鋼斷口處晶粒分布更加均勻，其組織內的缺陷明顯減少，在斷口處出現了少量驗證韌性斷裂的韌窩，這是其性能提升的次要原因，該現象與奧氏體不銹鋼經固溶處理后出現相態轉變和相區分布改變有關。
4.結語
根據試驗結果及分析，可得出如下結論：
（1）U型管R段頂部是應力腐蝕裂紋產生的主要區域。
（2）鈦材U型換熱管彎制后，不經消除應力熱處理，抗應力腐蝕性能依然很優越，在實際制造過程中，彎制后可以不進行消除應力熱處理。
（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力腐蝕性能明顯優于未經固溶處理的U型管。因此，在U型管彎制后，應進行固溶處理，以提高其抗應力腐蝕能力。
（4）SAF2205雙相不銹鋼材料U型管經固溶處理后，其抗應力腐蝕性能優于固溶處理后的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公司。
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