黄建明实战案例专栏 | 【案列13】不锈钢烘筒应力腐蚀裂纹案例分析

文章来源:微信公众号:航空无损检测
13不锈钢烘筒应力腐蚀裂纹案例分析
   

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很多实际知识,对我将来遇到同类的事我就可以更快找出一个正确、快捷的逻辑思维方法了。



温馨提示:

本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。

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实战案例专栏 /   案例13

1987年夏天某日,新联机器厂的吉叔打电话来告诉我:“为什么你帮我100% X光拍片说合格的不锈钢烘筒,交给客户使用才两个星期,在焊缝附近就穿漏了,你快点帮我看看到底是什么回事,每个烘筒是8,000港元,每台机器是二十个烘筒,两个星期一批就是16万,我可赔不起啊… !”


突然接到这个电话,我也感到奇怪?怎么这么快两星期就穿漏了?面对客户提出来这个问题。


你应该如何解释呢?又如何进行事故分析判断呢?有兴趣的话,请慢慢地看看我的故事。


新联机器厂是家专做印染机器的厂,吉叔也做了几十年,最近两个儿子从国外念完书回来帮手,工厂里有一批工程师和技术工人,在做这批水源蒸汽烘干机烘筒时,原本是卖往大陆去的,由于在大陆有压力容器控制要求,只要压力大于0.5MPa就需要100%X光焊缝检验,他之前也找我帮忙进行焊接工艺、焊工考核及100%X光焊缝检验,已经做了好多年,从未也没有发生任何问题。


这次由于大陆客户突然取消订货,正好香港有几个客户需要,也就在香港卖给染厂使用了,哪知道其中这家厂才使用两星期就发现在焊缝位置出现穿漏


蒸汽汽泡漏出,把深色的牛仔布搞得一排排深浅不一的花痕,无法得得到满意的印染效果,印染厂当然不高兴,也无法向他的客户交货,可火了,大吵闹着要新联机器厂赔偿损失和更换一批烘筒


新联的父子忙到这家厂去看,见到一排排小汽泡漏出烘筒,也不知怎么回事?


所以马上打电话问我,到底是什么原因,同时议好先给客户换上一批二十个新的烘筒让客户开工先。

谜团

# day1


在电话里就向他说:“吉叔,我记得这批烘筒总数是一百个,二十个一组,那其他四组是什么地方用,有没有发生同样的穿漏问题。请您去问下其它几个客户有没有这样的情况。”


我自己在心里想着,不锈钢在焊缝位置首先穿漏,应该是应力腐蚀裂纹吧


应力来自于焊缝焊接后的残余应力,若水质含有氯离子、氯化物化学介质,就变成了应力腐蚀,不锈钢是最怕氯离子的,我就告诉他:“你叫你儿子到那家印染厂去拿点水来,我帮您去化验下,看看是否有Chlorine、Chloride(氯化物和氯离子)。”


# day2


第二天一早,他的小儿子,就提了一桶水来给我,吓我一跳,足有二十公升,我说:“不需要这么多。”


我便让他直接送去一家有化学分析试验的实验室。


# day3


第三天化学实验室的郑先生来电话告诉我:“这水样板中的没有氯化物,氯离子只有13ppm。”


我查阅美国ASTM金属手册资料和其他资料分析,都有介绍氯离子引起不锈钢应力腐蚀,在正常情况下,SS304奥氐体不锈钢使用条件是氯离子含量不超过10ppm,那现在只有13ppm略高于标准少许,难道就两个星期就穿漏了。这样向客户解释未免太牵强了吧!


我又与吉叔前往其他几间厂查看同一批生产的80个烘筒使用情况,这些厂都在市区的工厂大厦内用的是自来水,一点问题都没有,不锈钢光亮光亮的,说明生产烘筒的方法以及所用的材料是没有问题,肯定是这家染厂使用有问题,但是我却查不出原因和找不到证据,是否有其他原因?是不是我的判断出错呢?


吉叔又来电话问我查到原因没有,我告诉他:“水质化验的结果不像有问题,可能是你小儿子去取水样取得不准,最好是我跟您去亲自到现场取样。”


“那好,明天我们就去。”他说。


# day4


第四天我就和吉叔父子一同前往那家印染厂,到了哪间厂,吉叔指着哪台印染机说,这是上星期才换上去新的烘筒,另外那边全部是换下来已穿漏的烘筒。


我走近看看这批烘筒,整个机器黑灰灰的好像是几十年的旧机。


我问厂长:“您们厂开业多少年了?”


他说:“这间分厂才开张一个月。”


“什么?一个月就变得这么旧?”,我感到诧异,原来光亮的不锈钢烘筒变得黑灰黑灰,整台印染机器就在黑粉盖住成的炭黑色


在染厂这台印染机的上空刚好有几条电力公司的高压电缆线,当天正下着小雨我们在地面可以清楚地听到上面有放电声音,有位工人问我:“黄生,是不是这高压电电坏着烘筒?”


我笑着对他说 :“要电就电到你先啦!没可能把不锈钢电裂的!”


我又参观了炉房,顺着炉房的蒸汽管道一直到机器入烘筒之前处,我叫工人拆开管口在这里取水样化验,准没错了吧!


我就直接送去化验所交给他们化验,过了两天郑先生来告知:“氯离子含量9ppm。”


这下可傻了,自己亲自去取水样化验都查不出结果!


# day n


时间是一天又一天地过去了,吉叔父子不断地来电追问我,查出原因没有?刚换上去一批二十个筒又穿漏了!这样下去我可赔不起啊!


突袭


怎么办?怎么办?!


我也不知怎么办了!刚巧当时我的腰部受伤住进了医院,有天我的一个朋友来探望我,闲谈时与他谈起这件事他说:“是不是你那天去之前厂家换了自来水?他们两家正在争吵责任赔偿问题,染厂肯定有隐瞒你,因为你和吉叔提前一天告知厂方说明天你要去,他们在晚上提前换上了自来水,所以化验水质没有问题。”我想有可能。


我这位朋友说:“我开车,你带路,我们现在就去。” 


“好!”,我就在医院偷偷地跑出去了。


我买了两瓶玻璃瓶装的葡萄适饮品,两人分别喝掉,用清水洗干净就直奔厂家。


到了厂门口,厂长刚好在门口他见到我突然来到感到愕然,我说我来再取水样作化验的,他马上跑去关掉主蒸汽管,我也不理他就到正在滴水的烘筒下,用玻璃樽来接这些从烘筒直接滴水的黑色水


此刻,高达60˚C的温度很难长时间靠近,我忍受着腰痛和高温,和朋友俩人轮流地接滴水,两樽分别接到60cc.左右(约60ml),心想我俩出的汗水相信也不止60cc.吧!


我把它分成两瓶,一瓶交回以前哪间化验所,另一瓶交给我在船厂化验室的朋友化验,叫她一有结果就打我手机告诉结果。


破案


当天晚上这位朋友就打电话来告知我:“你哪里找的样品啊!氯离子含量高达1300ppm。”


“啊,你再说多次?什么1300 ppm你肯定吗?”,我诧异地问到!


她说:“肯定是1300ppm!”


难道上次两次哪两间化验室的结果弄错?


第二天下午,原先哪间化验室也打电话来了,郑先生告知我,氯离子含量高达1330 ppm。


两间化验所结果一样,那为什么上两次的结果却是那么的低?而这1330ppm高含量的氯离子是哪里得来的呢?


我又再次前往印染厂,问厂长煱炉所用的是什么水,他说:“有自来水时就用自来水,如果没有自来水时就有地下井水。”


我说:“为什么没有自来水?”


他说:“在这条村全村只有一条水管,白天,大家都用水时就不够水用了,晚上有时还有些自来水,所以公司请人在这里打两口科学井,深度有一百多英呎。”


“你可以带我去看看吗?”,我说,他马上带我去看哪两口井,我跟随着他查看染厂周围的环境,我看见两个井都在一条排水渠的旁边,而排水渠上游方向正好有一间皮革制品厂(香港人叫牛皮厂),井口就在这皮革厂污水沉淀池的下游方向


我用手捞起井水放入口中尝试水质,可这水无色、无味、清澈透凉,而且手感不到滑泥的肥皂碱性的感觉,也没有任何酸味。


用口是试不到氯离子的,我分别在两口井取了两小瓶水,拿去化验,结果发现两口井的氯离子含量分别245多和342ppm,靠近皮革厂的沉淀池那一口井,氯离子含量高些。


噢,我想起了,皮革厂的猪皮、牛皮,其中一道工序必须使用漂白水来清洗皮革,而这些用过的含氯离子的漂白水长年累久聚积在这排水渠旁经过泥土,早已浸入地下水,所以井水中的氯离子肯定是来自这皮革厂的,而且这家皮革厂早已在此二十多年了。


很明显上两次取水的时候是他们正在使用自来水的时候所以查不出氯离子。


而在这分析水质的同时,我也将这些不锈钢的出厂证书核对,取料和焊件做化学分析和机械性能测试,全部符合SS304材料的规格要求,材料没有问题,焊接也没有问题


我另外一个专门做化学分析的朋友告于我,可以向政府水务处查询香港各地区的地下水质,我叫她帮我查好了因为她最熟识,很快她把资料给我了,由于香港靠海边,沿海岸附近的地下氯离子含量通常会高些,但是这家厂不靠海边,是在香港的内陆位置,地下水质中的氯离子含量也低于6ppm,很明显他们的井水高含量的氯离子是受到皮革厂的漂白剂污染


收官


找到了源头就有解决的方案了,只要解决水的问题就什么都解决了,我可高兴了


在印染厂里,厂长和吉叔的儿子问我:“为什么用来做蒸汽密封圈的碳精包怎么也磨损了?”


我说:“可否给我看看这炭精包的结构图。”


我也觉得奇怪,他说的炭精也就是石墨,碳的化学性能,我虽说不是读化学的,但是中学时学过一些化学常识,我知道它就像玻璃一样,几乎没有什么化学物品能把它溶解,氯离子对它是完全没有用的,它唯一的方法是用火烧才能改变其化学性能。


哪为什么这碳精却变成粉未呢?


我拿起这个碳精包一看内部结构,就完全明白了,原来厂家设计制造时是将一个铜环压铸在碳精之间,就像钢筋与混凝土样的关系,纯碳精会碎,加了铜环后其结构就又有强度又有韧性了,碳精耐腐蚀、耐高温又耐磨损,用来密封蒸汽是最好的材料,但铜和不锈钢一样是最怕氯离子的,一接触到氯离子而且又在高温下使用就更加快腐蚀了。


用一个简单比喻:“人的牙齿和牙肉关系,牙齿是碳精,牙肉是铜环,如果牙肉烂了,牙齿就脱落,脱落的牙齿与牙齿磨擦,硬碰硬的结果就变成粉了,这就是飞杨得满厂都是黑黑的炭粉。不用再做化学分析了,只要把水解决了就把问题全部解决了!”,我很高兴地向他们说。


巧我又看到中国机械工程学会出版的《理化检测》1985年10月刊出的一份资料与我这个情况非常相似,《不锈钢应力腐蚀破裂实例分析》作者丁遐飞,他介绍了他们单位用不锈钢制作的蒸汽加热器, 仅使用三个月便发生了局部开裂漏水,加热器呈圆筒形,直径1.6米高1.8米系用日本SUS29CP不锈钢板采用手工电弧焊焊接成型,焊条为D308-16,板厚3mm,加热器工况为:


先注满凉水然后顺着从顶部至底部的一根导管送进有一定压力的水蒸汽将水加热至沸腾100°C,由于是在沿海食用水中的氯离子含量在70-150ppm范围,他说根据资料上分析在这种高氯离子和这样的高温度下,即使没有任何残余应力或外应力,不锈钢板 (18-8Ti)都会发生破裂的倾向,加上本身材质方面由于是冷轧钢板,已有较大的残余应力,加热器系卷板后焊接成型,存在着较大的残余应力也未经热处理几方面的因素,所以加速应力腐蚀裂纹产生至破裂。


我们使用的烘筒材料是日本ASIA304(NAS 8S)奥氐体不锈钢,2mm厚钢板卷成直径22半英吋长72英吋两端用厚度10mm低碳钢封盖的焊接成筒体,用手工氩弧焊和手工电焊接,焊条用NS308直径1.6mm焊丝及E308-L直径2.6mm电焊条,筒体外焊缝打磨平滑内部焊缝不作任何处理,也没有热处理,所以焊缝的残余应力肯定是较高的了,工作状况是:


蒸汽压力在40-45ibf/in2;温度是80-120°C;转速是80-100转/分;每天工作大约18-20小时,用的蒸汽水是自来水和地下井水。


看过美国ASTM的《金属手册》再看《理化检测》的这份参考资料,与我这个情况非常吻合使我更加相信这就是典型的应力腐蚀裂是由氯离子引起的


叔带我去向这家厂的大老板去解释原因,到了大老板的家里,我们走进大堂,大老板嘴里叼着一支雪茄,坐在大厅中间,两旁站着两位大汉,其中一个长得像个半唐番 (混血儿),两个人的手膀上都有龙凤的纹身图案,他们身后墙是一幅山水画,看到这情景,我突然感觉似曾相识,在哪见过?


噢!在电影和电视剧见过的场景-“黑社会”。


吉叔战战兢兢地鞠躬地向大老板说:“X老板,我带AES专家来向您解释为什么不锈钢这么快就穿漏的原因?”

“坐吧。”,大老板指着旁边的凳子叫我们坐下。


我就向他解释:“经过这段时间的化验分析和调查研究,我找到了引起不锈钢应力腐蚀的原因了,主要是Chlorine 、Chloride 造成的应力腐蚀,不关新联吉叔他们的事!”


“砰!”地一声,这大老板用手大力拍下桌子,大声地说:“什么Chlorine、Chloride?不锈钢不怕酸、不怕碱、不怕高温,怕什么Chlorine、Chloride,你当我是小孩什么都不懂啊?”


吉叔被他大力地一拍可吓了一跳,看着这大老板不知怎么说好!


我反而一点也不怕,就笑笑地说:“狮子、老虎够厉害了吧!大笨象当它冇到(粤语,不放在眼里),但是大象一见到老鼠可吓得要命了,这叫着一物治一物。这Chloride就是老鼠,不锈钢不怕酸、不怕碱、不怕高温是大笨象,可就是怕Chlorine、Chloride,什么叫Chlorine、Chloride呢?中文就是氯化物和氯离子,你可以看到水喉的铜管接头位置常有绿色的锈,这就是氯离子引起的氯化物绿色锈,焊接的残余应力在氯离子和高温的环境下就会形成应力腐蚀裂纹。”


这时他也明白了,他说:“难怪我们厂的煱炉房的铜管接头位置老是生绿锈,哪这些Chloride是哪里来的?”


我说:“我调查过了是你们厂房旁边的牛皮厂,他们用来漂白皮革的漂白水,漂白水就是氯离子,他们的污水沉淀池就在你们的井水旁边,氯离子早已渗透到井水了。”


“给我拆着他那间厂!”老板大声发怒地说。


我说:“你可没有道理,人家在上游设厂,而且早在二十年就已在上址开厂了,你现在才开厂,怎么能这样无理呢?”


“那怎么办?”,他说。


我说:“有两个方法,一是捉老鼠,二是防老鼠。﹝1﹞换自来水;﹝2﹞找人帮你做水质处理,看看能不能将井水化淡处理,变成能适合不锈钢用的水。”


换自来水是不可能的,因为政府可能会收地,所以这一带整个村只有一条直径3/4”的水喉供应,不够用。


他说:“你帮我想想办法。”


“我唔识(粤语,不懂)!因为我不是搞化学的,也不是做水质处理的。”,我说。


他突然说:“难怪我们厂漂白的布特别白和闪亮。”


“你要多谢这家皮革厂,他们免费送了很多漂白水给你用呢!”我笑着说。


他也笑了也就这样他语气好多了,同意我的分析,也就不再臭骂吉叔了和其他人了。


后来我才知道他们两家正准备打官司要吉叔赔偿损失。


“哪你帮我找人做。”,他说。


“好,我试下!”,我答应他。


找了两家公司,一家公司回复说:“先收十五万研究下,要2~3月时间,还不知道是否能行。”


另一家专做水质处理的,我告知他们我现在需要将井水氯离子含量从370ppm降到10ppm以下。


他们详细的分析计算后就报了个价给这家厂,需要用HK$80万,还要2000至3000呎地方摆放水质处理的机器,用阴阳离子柱的制作纯水的方法来过滤这大量的氯离子,而且还需要每月花$3,500做清洗工作,相当繁琐。


这老板可火了,亲自打电话来骂我:“你想吃掉我间山寨厂啊,八十万怎么可能这样做?”


我说:“老板我也不懂啊。”


“哪不管,总之你得想办法帮我搞定它。”,他蛮不讲理的,用黑社会大佬的口吻对我讲。我并不是怕他,因为我也不是化学方面的专家,不懂可不能装懂啊!


我为了这件事最近也看过一些资料,使我知道氯离子是一种非常活跃的化学原素,几乎所有的物质它都能吞噬(产生化学反应),它什么都敢咬!且“体形又小”,很难有什么物质可以“过滤它”的,想把它过滤掉而用便宜的方法是不可能的。


我只好说我没有时间来推托,他说:“那我就派司机接你来。”


他的司机就来我公司楼下等我下班,接我前去,我也只好前去了,也不敢得罪这位“大佬”啊。


去到厂里,我和厂长走进炉房,我问厂长这煱炉有多大,每天用多少水,他说:“这是一个小煱炉,只有一吨,每天用水大约1~2吨水。”


只有1~2吨水实在太小了,我看见锅炉房的空间还挺大的,正好地下有些约6mm厚大钢板,大概有3米长乘以2米宽吧!


我说:“哪就把这些钢板就在这里焊成一个水箱吧!赶快去五金铺买一套厕所冲水用的水泡阀来,然后把水管接到这水箱里,再把水泡阀装在水管上,这样你晚上有水时就让它进入,水满时水泡阀它就自动截停,全自动还不用电,十来块钱就行,再买些红丹来把钢板涂上防止生锈,若是真的没有水,就到其它地方去车买两车水来也能顶几天,这水箱若装满水也有十几吨能用几天。”


厂长和工人很配合,不要一天时间全装好。我又建议他们把炉房里的所有生氯锈的水闸门全部换新。


后记


了一段时间,大约2~3个月,吉叔打电话给我说:“大老板要请我们吃饭,说明天派司机来接我,与他一同去新界流浮山吃海鲜。”


我问吉叔:“没事吧?”


他说:“没事,大老板很高兴,想多谢你,所以请吃饭。”


“那好,明晚我就和你一起去。”

在香港新界流浮山一家专门吃海鲜的酒家,大老板点了最好的海鲜,须眉、鲍鱼、鱼翅等,又开XO酒,非常热情地招待我,喝多两杯后,他说:“阿黄,在香港你若在江湖上有什么事找我,我一定会帮你搅定!”

我说:“谢谢!”,我可不敢麻烦他呢。


自此,以后近二十年了再也没有发生应力腐蚀了。


很高兴能圆满地解决了这个问题,没想到我这个做NDT的人也能做理化分析师了


我也从中学到了很多实际知识,对我将来遇到同类的事我就可以更快找出一个正确、快捷的逻辑思维方法了。


应力腐蚀在日常工作中经常可以看到现象,是很着通常识,很多书中都有介绍也有很多很多这样的案例,希望完我这个故事的朋友也能从中学到这些知识并能应用到实际的工作中,不必再走弯路走我这条捷径吧


( 变成黑灰色不锈钢烘干机的烘筒上可以看气泡)

(渗透和X光显示的裂纹影像)

看后点评及参考资料:


1. ASTM 《金属手册》;


2. 《理化检测》1985年10月版《不锈钢应力腐蚀实例分析》作者丁遐飞;


3. 应力腐蚀的定义 : 金属如果有残余应力和腐蚀介质组成的情况下,加上温度、湿度、腐蚀介质的浓度等条下,造成金属短时间内产生裂纹;


4.分析思路联想 : 材料、焊接、不锈钢、氯化物、氯离子、氯离子的化学特性、温度、湿度、浓度、应力(压力)、使用条件、查风水、地理位置、山寨厂、周边环境、牛皮厂(皮革厂)、污水沉淀池、有时用自来水有时用井水、对比其他同类产品、其他厂市区工厂大厦、奥氐体不锈钢、手工焊、氩弧焊、黑社会、用狮子、老虎、老鼠、大笨象生活化、形象化的方法,比喻不锈钢与氯离子的关系、打官司、两瓶玻璃樽装的葡萄适饮品、分两个地方做化验、碳精(石墨)、混凝土与钢筋的关系、牙齿与牙肉关系、捉老鼠、防老鼠、水箱、水泡阀、1-2吨水、氯离子化学反应最活跃它什么都敢咬、最喜欢咬有应力的不锈钢、阴阳离子纯水、漂白水就是氯离子…。



关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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