不銹鋼壓力容器封頭開裂成因分析

無錫不銹鋼板、無錫不銹鋼管廠家無錫漢能不銹鋼2020年9月24日訊  分析在用或制造過程中奧氏體不銹鋼壓力容器封頭出現(xiàn)裂紋的原因，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，針對(duì)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中存在的不足，提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；封頭；開裂；預(yù)防措施

引言

壓力容器封頭質(zhì)量的好壞直接影響到壓力容器的安全使用。因此，壓力容器頸部或頭部生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量控制非常重要。奧氏體不銹鋼具有抗腐蝕性、抗高溫耐低溫等特性，得到了壓力容器制造行業(yè)的廣泛認(rèn)可。壓力容器行業(yè)比較重視不銹鋼封頭在制造或使用過程中出現(xiàn)的裂紋缺陷。某公司是奧氏體不銹鋼壓力容器的專業(yè)生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)的封頭有2種開裂情況。分析奧氏體不銹鋼封頭裂紋成因，并對(duì)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的不足之處提出改進(jìn)建議。

1開裂封頭主要點(diǎn)分析

（1）封頭開裂的過程是在室溫下冷成型，有些是冷沖壓，有些是冷旋壓成形。工件再結(jié)晶溫度下冷成型是通過工件結(jié)晶溫度下塑性變形加工而成。（2）用304，321等穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼材料制作封頭。奧氏體不銹鋼主要通過冷加工強(qiáng)化。奧氏體不銹鋼在穩(wěn)定性方面可分為穩(wěn)定性和亞穩(wěn)定性，奧氏體不銹鋼在塑性變形過程中容易轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體不銹鋼。301L，301，304，321，321L304L是典型的穩(wěn)定奧氏體不銹鋼。

2封頭開裂后的處置辦法

封頭開裂后的處理方法是重新加工。為了避免再次開裂，壓力容器制造商要在奧氏體不銹鋼封頭冷成型后立即進(jìn)行熱處理，以恢復(fù)材料性能。壓力容器制造企業(yè)應(yīng)該注意：（1）準(zhǔn)備材料性能熱處理恢復(fù)的測(cè)試部分，并對(duì)測(cè)試部分測(cè)試和評(píng)價(jià)；（2）容器頭部的腐蝕、污垢和有害雜質(zhì)，必須在熱處理前去除，去除后必須經(jīng)過加工和鈍化處理；（3）熱處理后避免頭部尺寸變形。

3奧氏體不銹鋼壓力容器封頭開裂成因分析和應(yīng)對(duì)方法

3.1冷變形強(qiáng)化

當(dāng)塑性變形發(fā)生在低溫時(shí)，金屬的硬度和強(qiáng)度增加，塑性和韌性隨變形量的增加而減小。這就是冷變強(qiáng)化又稱為應(yīng)變硬化。和其他金屬一樣，奧氏體不銹鋼封頭材料的冷變形時(shí)，通過位錯(cuò)使缺陷增加，隨著變形密度的增加、位移和強(qiáng)度增加，與位錯(cuò)相互作用以改善材料。材料在硬度、強(qiáng)度提高時(shí)會(huì)降低它的韌性，冷變形強(qiáng)化的奧氏不銹鋼封頭，如果塑性變形或者在應(yīng)力較大的情況下，就會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3.2馬氏體相變

馬氏體相變是指不擴(kuò)散剪切的第一階段成核和生長相變。對(duì)比奧氏體組織與馬氏體組織，馬氏體組織具有硬度和脆性特征。由于奧氏體和馬氏體兩相共存的不同特征結(jié)構(gòu)，奧氏體不銹鋼材料冷加工封頭，微裂紋比較容易形成，這些微裂紋在連續(xù)塑性變形或大應(yīng)力作用下生產(chǎn)。如果馬氏體含量增加，奧氏體不銹鋼的剛度和強(qiáng)度也隨之增加，從而降低塑性和塑性變形，馬氏體的生長與滑動(dòng)位移和沖擊冷變形密切相關(guān)。因此從晶體的角度看，奧氏體不銹鋼冷變形強(qiáng)化的本質(zhì)是微觀組織的變化（即某些奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體）。

3.3腐蝕環(huán)境的影響

奧氏體的耐蝕性優(yōu)于馬氏體，當(dāng)馬氏體奧氏體兩相共存時(shí)，形成腐蝕、陽極腐蝕、電腐蝕和局部腐蝕。

4壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修改建議

4.1問題的提出

TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（行業(yè)俗稱大容規(guī)）于2016年10月實(shí)施。其中指出：在制造過程中，材料發(fā)生變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很大，包括微觀結(jié)構(gòu)和材料的力學(xué)性能，當(dāng)材料需要熱處理時(shí)，兩者應(yīng)達(dá)到一致狀態(tài)。但是，當(dāng)材料的熱處理狀態(tài)在制造過程中被破壞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行熱處理，以恢復(fù)壓力元件性能。可見，新規(guī)定不僅考慮了“變形對(duì)材料性質(zhì)的影響”，也考慮了組織變化對(duì)材料性質(zhì)的影響。它對(duì)冷加工成型對(duì)材料性能的影響做了說明。近幾年，奧氏體不銹鋼的冷彎頭封頭開裂現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，大容規(guī)的實(shí)施未能完全控制缺陷的產(chǎn)生，修改現(xiàn)行壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。

4.2問題的探討

奧氏體不銹鋼冷模的恢復(fù)特性僅是材料的熱處理，考慮到材料變形對(duì)材料的影響，并且不考慮材料性能的影響。奧氏體不銹鋼，不僅由于氣候變化導(dǎo)致變形。除了變形因素、外界因素的影響外，結(jié)構(gòu)的變化還包括鎳當(dāng)量、變形速率、變形、α和β殘余應(yīng)力、塑性變形等。

4.3變形量的控制

奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度比一般為30%～45%。當(dāng)變形量達(dá)到10%～12%，屈服強(qiáng)度比為70%～75%，隨著變形量的增加，其彎曲率最大可達(dá)85%～90%，但材料的韌性在同時(shí)下降。一般采用10%～12%范圍內(nèi)的數(shù)值來控制奧氏體不銹鋼在冷加工后的塑性和延性儲(chǔ)備，作為奧氏體不銹鋼冷變形的控制值。在變形比控制值小時(shí)，就可以使奧氏體不銹鋼的塑性和韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。如果變形比控制值大，就會(huì)降低其塑性和韌性，

5組織變化的測(cè)量方法和規(guī)定指標(biāo)量化值

（1）借助鐵素體硬度測(cè)試儀測(cè)量組織的變化。改變鐵磁馬氏體基體相（γ相奧氏體）的形式，包含鐵磁磁性部分測(cè)量與鐵素體組織變化測(cè)量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，馬氏體鐵素體含量為質(zhì)譜儀實(shí)際測(cè)量值的1.7倍。（2）奧氏體不銹鋼顯微組織的變化顯著提高了硬度，硬度也符合Ho檢驗(yàn)。它可以用來測(cè)量組織中的變化，而且還因?yàn)楸砻娌牧系挠捕龋梢栽斐蓪?duì)γ的損傷，降低了耐蝕性的壓力。性能，不改變測(cè)量容器的壓力結(jié)構(gòu)。定量值的變化無疑是一個(gè)迫切需要解決的問題，需要積累大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。指定指標(biāo)量化值高，可以保證消除壓力容器裂紋；量化指數(shù)以下，則會(huì)增加由于生產(chǎn)成本而導(dǎo)致的熱處理數(shù)量。（3）如果采用“測(cè)量鐵素體組織變化”的方法，認(rèn)為量化值為“23%體積分?jǐn)?shù)”是合適的，如采用“硬度試驗(yàn)”的方法，認(rèn)為量化值為“300HB”是合適的。原因如下：①根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)案例，在裂解位點(diǎn)最高的馬氏體含量＞23.7%的體積分?jǐn)?shù)，開裂部分的最大硬度＞310HB；②兩預(yù)測(cè)值最大的冷變形量10%～12%是穩(wěn)定的奧氏體不銹鋼在中等室溫下的利用值。在最終確定指標(biāo)量化值時(shí)必須由研究壓力容器技術(shù)的專家給出。

6結(jié)語

壓力容器的法律法規(guī)以及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為壓力容器制造產(chǎn)業(yè)遵守的最基本要求。按照規(guī)定和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上具有較高的要求和質(zhì)量控制。壓力容器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的修改，應(yīng)充分重視奧氏體不銹鋼冷成形頭的開裂問題，以減少壓力容器的安全隱患。

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作者：盧大為 單位：河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院承德分院