不锈钢压力容器封头开裂成因分析

时间：2019-05-18

不锈钢压力容器封头开裂成因分析

压力容器封头质量的好坏直接影响到压力容器的安全使用。因此，压力容器颈部或头部生产企业的质量控制非常重要。奥氏体不锈钢具有抗腐蚀性、抗高温耐低温等特性，得到了压力容器制造行业的广泛认可。压力容器行业比较重视不锈钢封头在制造或使用过程中出现的裂纹缺陷。某公司是奥氏体不锈钢压力容器的专业生产厂家，生产的封头有2种开裂情况。分析奥氏体不锈钢封头裂纹成因，并对压力容器标准的不足之处提出改进建议。

1开裂封头主要点分析

（1）封头开裂的过程是在室温下冷成型，有些是冷冲压，有些是冷旋压成形。工件再结晶温度下冷成型是通过工件结晶温度下塑性变形加工而成。（2）用304，321等稳定的奥氏体不锈钢材料制作封头。奥氏体不锈钢主要通过冷加工强化。奥氏体不锈钢在稳定性方面可分为稳定性和亚稳定性，奥氏体不锈钢在塑性变形过程中容易转变为马氏体不锈钢。301L，301，304，321，321L304L是典型的稳定奥氏体不锈钢。

2封头开裂后的处置办法

封头开裂后的处理方法是重新加工。为了避免再次开裂，压力容器制造商要在奥氏体不锈钢封头冷成型后立即进行热处理，以恢复材料性能。压力容器制造企业应该注意：（1）准备材料性能热处理恢复的测试部分，并对测试部分测试和评价；（2）容器头部的腐蚀、污垢和有害杂质，必须在热处理前去除，去除后必须经过加工和钝化处理；（3）热处理后避免头部尺寸变形。

3奥氏体不锈钢压力容器封头开裂成因分析和应对方法

3.1冷变形强化

当塑性变形发生在低温时，金属的硬度和强度增加，塑性和韧性随变形量的增加而减小。这就是冷变强化又称为应变硬化。和其他金属一样，奥氏体不锈钢封头材料的冷变形时，通过位错使缺陷增加，随着变形密度的增加、位移和强度增加，与位错相互作用以改善材料。材料在硬度、强度提高时会降低它的韧性，冷变形强化的奥氏不锈钢封头，如果塑性变形或者在应力较大的情况下，就会出现开裂现象。

3.2马氏体相变

马氏体相变是指不扩散剪切的**阶段成核和生长相变。对比奥氏体组织与马氏体组织，马氏体组织具有硬度和脆性特征。由于奥氏体和马氏体两相共存的不同特征结构，奥氏体不锈钢材料冷加工封头，微裂纹比较容易形成，这些微裂纹在连续塑性变形或大应力作用下生产。如果马氏体含量增加，奥氏体不锈钢的刚度和强度也随之增加，从而降低塑性和塑性变形，马氏体的生长与滑动位移和冲击冷变形密切相关。因此从晶体的角度看，奥氏体不锈钢冷变形强化的本质是微观组织的变化（即某些奥氏体组织转变为马氏体）。

3.3腐蚀环境的影响

奥氏体的耐蚀性优于马氏体，当马氏体奥氏体两相共存时，形成腐蚀、阳极腐蚀、电腐蚀和局部腐蚀。

4压力容器技术标准修改建议

4.1问题的提出

TSG21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（行业俗称大容规）于2016年10月实施。其中指出：在制造过程中，材料发生变形对结构的影响很大，包括微观结构和材料的力学性能，当材料需要热处理时，两者应达到一致状态。但是，当材料的热处理状态在制造过程中被破坏时，应进行热处理，以恢复压力元件性能。可见，新规定不仅考虑了“变形对材料性质的影响”，也考虑了组织变化对材料性质的影响。它对冷加工成型对材料性能的影响做了说明。近几年，奥氏体不锈钢的冷弯头封头开裂现象不断出现，大容规的实施未能完全控制缺陷的产生，修改现行压力容器技术标准势在必行。

4.2问题的探讨

奥氏体不锈钢冷模的恢复特性仅是材料的热处理，考虑到材料变形对材料的影响，并且不考虑材料性能的影响。奥氏体不锈钢，不仅由于气候变化导致变形。除了变形因素、外界因素的影响外，结构的变化还包括镍当量、变形速率、变形、α和β残余应力、塑性变形等。

4.3变形量的控制

奥氏体不锈钢的屈服强度比一般为30%～45%。当变形量达到10%～12%，屈服强度比为70%～75%，随着变形量的增加，其弯曲率较大可达85%～90%，但材料的韧性在同时下降。一般采用10%～12%范围内的数值来控制奥氏体不锈钢在冷加工后的塑性和延性储备，作为奥氏体不锈钢冷变形的控制值。在变形比控制值小时，就可以使奥氏体不锈钢的塑性和韧性达到标准。如果变形比控制值大，就会降低其塑性和韧性，

5组织变化的测量方法和规定指标量化值

（1）借助铁素体硬度测试仪测量组织的变化。改变铁磁马氏体基体相（γ相奥氏体）的形式，包含铁磁磁性部分测量与铁素体组织变化测量。实验数据表明，马氏体铁素体含量为质谱仪实际测量值的1.7倍。（2）奥氏体不锈钢显微组织的变化显着提高了硬度，硬度也符合Ho检验。它可以用来测量组织中的变化，而且还因为表面材料的硬度，可以造成对γ的损伤，降低了耐蚀性的压力。性能，不改变测量容器的压力结构。定量值的变化无疑是一个迫切需要解决的问题，需要积累大量的实验数据。*指标量化值高，可以保证消除压力容器裂纹；量化指数以下，则会增加由于生产成本而导致的热处理数量。（3）如果采用“测量铁素体组织变化”的方法，认为量化值为“23%体积分数”是合适的，如采用“硬度试验”的方法，认为量化值为“300HB”是合适的。原因如下：①根据实测数据案例，在裂解位点较高的马氏体含量＞23.7%的体积分数，开裂部分的较大硬度＞310HB；②两预测值较大的冷变形量10%～12%是稳定的奥氏体不锈钢在中等室温下的利用值。在较终确定指标量化值时必须由研究压力容器技术的*给出。

压力容器的法律法规以及技术标准已经成为压力容器制造产业遵守的较基本要求。按照规定和技术标准的基础上具有较高的要求和质量控制。压力容器技术标准的修改，应充分重视奥氏体不锈钢冷成形头的开裂问题，以减少压力容器的安全隐患。

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