不锈钢封头在制造或使用过程中开裂成因分析

不锈钢封头在制造或使用过程中 开裂成因分析

石哲 王鹏

南阳龙腾专用车制造有限公司 河南省 南阳市 473000

摘要：分析在用或制造过程中奥氏体不锈钢压力容器封头出现裂纹的原因，提出相应的应对办法；并对压力容器规范提出建议。

关键词：奥氏体不锈钢；封头；开裂；应对办法。

引言

压力容器制造单位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，尤其在移动容器上的使用，封头在移动工况上承受五个方向的作用力，容器稳定安全运行，不锈钢封头起着至关重要的作用。

现分析奥氏体不锈钢封头裂纹成因，并对压力容器规范提出相应的建议。

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）采用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。

奥氏体不锈钢在冷加工塑性变形过程中一部分组织容易转变为马氏体组织。马氏体转变速度极快，转变时体积产生膨胀，在不锈钢内部形成很大的内应力。301、301L、304、304L、321、321L是典型的稳定奥氏体不锈钢，用于制作不锈钢封头，可最大限度避免上述情况大面积发生。

2 封头开裂后的处置办法

封头开裂后常规处理方法是打磨、补焊、探伤重新加工。为了避免再次开裂，压力容器封头制造企业通常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控制以下环节：

（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）封头在热处理后，必须经过加工和钝化处理；

（3）热处理后控制尺寸变形。

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。

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第一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产生。

若马氏体组织含量进一步增加，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 现状和建议

4.1以往问题

TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（俗称大容规）于2016年10月实施。

《固定式压力容器安全技术监察规程》4.2.6.1（2）中指出：在制造过程中因冷加工成形致使材料发生较大变形或者组织发生较大变化而影响材料微观组织和力学性能时，或者当要求材料的使用热处理状态与供货热处理状态一致但在制造过程中破坏了材料的供货热处理状态时，应当对受压元件进行恢复材料性能热处理。

容规强调，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。

显而易见，容规规定不仅考虑了“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。

它对冷加工成形对材料性能的影响做了解释说明。近几年，奥氏体不锈钢的冷加工封头开裂现象不断出现，新容规实施前未能完全控制缺陷的产生，修改后的新容规对现行压力容器封头制造技术标准进一步提高势在必行。

4.2 问题的探讨

奥氏体不锈钢冷做模式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，其弯曲率最大可达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伸性能，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著提高了硬度，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。指定指标量化值高，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，在裂解位点最高的马氏体含量＞23.7%的体积分数，开裂部分的最大硬度＞310HB；

②两预测值最大的冷变形量10%～12%是稳定的奥氏体不锈钢在中等室温下的利用值。在最终确定指标量化值时必须由研究压力容器技术单位的专家通过试验给出。

6 结语

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最基本要求。

按照规定和技术标准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。

参考文献

［1］李顺荣，陈海云等.两种常用奥氏体不锈钢形变马氏体研究[J].压力容器，2013.

［2］许淳淳，张新生，胡钢等.不锈钢冷加工形变诱发马氏体相变及其腐蚀行为[J].材料保护，2002.

［3］TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》（俗称大容规）于2016年10月实施。

作者简介：

石哲，男、汉族，1974年8月24日出生，籍贯河南省南阳市，助理工程师 ，专科，低温深冷装备的研发、制造。