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裂紋的原因，提出相應的預防措施，針對壓力容器標準中存在的不足，提出改進建議。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼；封頭；開裂；預防措施

引言

壓力容器封頭質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企業的質量控制非常重要。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的廣泛認可。壓力容器行業比較重視不銹鋼封頭在制造或使用過程中出現的裂紋缺陷。某公司是奧氏體不銹鋼壓力容器的專業生產廠家，生產的封頭有2種開裂情況。分析奧氏體不銹鋼封頭裂紋成因，并對壓力容器標準的不足之處提出改進建議。

1開裂封頭主要點分析

（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。工件再結晶溫度下冷成型是通過工件結晶溫度下塑性變形加工而成。（2）用304，321等穩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化。奧氏體不銹鋼在穩定性方面可分為穩定性和亞穩定性，奧氏體不銹鋼在塑性變形過程中容易轉變為馬氏體不銹鋼。301L，301，304，321，321L304L是典型的穩定奧氏體不銹鋼。

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行熱處理，以恢復材料性能。壓力容器制造企業應該注意：（1）準備材料性能熱處理恢復的測試部分，并對測試部分測試和評價；（2）容器頭部的腐蝕、污垢和有害雜質，必須在熱處理前去除，去除后必須經過加工和鈍化處理；（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對方法

3.1冷變形強化

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

3.2馬氏體相變

馬氏體相變是指不擴散剪切的第一階段成核和生長相變。對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構，奧氏體不銹鋼材料冷加工封頭，微裂紋比較容易形成，這些微裂紋在連續塑性變形或大應力作用下生產。如果馬氏體含量增加，奧氏體不銹鋼的剛度和強度也隨之增加，從而降低塑性和塑性變形，馬氏體的生長與滑動位移和沖擊冷變形密切相關。因此從晶體的角度看，奧氏體不銹鋼冷變形強化的本質是微觀組織的變化（即某些奧氏體組織轉變為馬氏體）。

3.3腐蝕環境的影響

奧氏體的耐蝕性優于馬氏體，當馬氏體奧氏體兩相共存時，形成腐蝕、陽極腐蝕、電腐蝕和局部腐蝕。

4壓力容器技術標準修改建議

4.1問題的提出

TSG21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》（行業俗稱大容規）于2016年10月實施。其中指出：在制造過程中，材料發生變形對結構的影響很大，包括微觀結構和材料的力學性能，當材料需要熱處理時，兩者應達到一致狀態。但是，當材料的熱處理狀態在制造過程中被破壞時，應進行熱處理，以恢復壓力元件性能?？梢姡乱幎ú粌H考慮了“變形對材料性質的影響”，也考慮了組織變化對材料性質的影響。它對冷加工成型對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象不斷出現，大容規的實施未能完全控制缺陷的產生，修改現行壓力容器技術標準勢在必行。

4.2問題的探討

奧氏體不銹鋼冷模的恢復特性僅是材料的熱處理，考慮到材料變形對材料的影響，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致變形。除了變形因素、外界因素的影響外，結構的變化還包括鎳當量、變形速率、變形、α和β殘余應力、塑性變形等。

4.3變形量的控制

奧氏體不銹鋼的屈服強度比一般為30%～45%。當變形量達到10%～12%，屈服強度比為70%～75%，隨著變形量的增加，其彎曲率最大可達85%～90%，但材料的韌性在同時下降。一般采用10%～12%范圍內的數值來控制奧氏體不銹鋼在冷加工后的塑性和延性儲備，作為奧氏體不銹鋼冷變形的控制值。在變形比控制值小時，就可以使奧氏體不銹鋼的塑性和韌性達到標準。如果變形比控制值大，就會降低其塑性和韌性，

5組織變化的測量方法和規定指標量化值

（1）借助鐵素體硬度測試儀測量組織的變化。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量與鐵素體組織變化測量。實驗數據表明，馬氏體鐵素體含量為質譜儀實際測量值的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。它可以用來測量組織中的變化，而且還因為表面材料的硬度，可以造成對γ的損傷，降低了耐蝕性的壓力。性能，不改變測量容器的壓力結構。定量值的變化無疑是一個迫切需要解決的問題，需要積累大量的實驗數據。指定指標量化值高，可以保證消除壓力容器裂紋；量化指數以下，則會增加由于生產成本而導致的熱處理數量。（3）如果采用“測量鐵素體組織變化”的方法，認為量化值為“23%體積分數”是合適的，如采用“硬度試驗”的方法，認為量化值為“300HB”是合適的。原因如下：①根據實測數據案例，在裂解位點最高的馬氏體含量＞23.7%的體積分數，開裂部分的最大硬度＞310HB；②兩預測值最大的冷變形量10%～12%是穩定的奧氏體不銹鋼在中等室溫下的利用值。在最終確定指標量化值時必須由研究壓力容器技術的專家給出。

6結語

壓力容器的法律法規以及技術標準已經成為壓力容器制造產業遵守的最基本要求。按照規定和技術標準的基礎上具有較高的要求和質量控制。壓力容器技術標準的修改，應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。

參考文獻

［1］李順榮，陳海云，邢璐，等.兩種常用奧氏體不銹鋼形變馬氏體研究[J].壓力容器，2013，30（7）：1-5.

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［3］沈烈.奧氏體不銹鋼形變/滲氮復合處理工藝及滲氮層結構與性能研究[D].大連：大連海事大學，2013.

作者：盧大為 單位：河北省特種設備監督檢驗研究院承德分院