不銹鋼管道開裂原因分析

張擁軍 陸 頻 趙秀青

（上海寶鋼工業(yè)檢測公司)

不銹鋼管道開裂原因分析

張擁軍*陸 頻 趙秀青

（上海寶鋼工業(yè)檢測公司)

采用斷口宏觀觀察、掃描電鏡微觀分析、化學(xué)成分分析、低倍酸蝕、金相等方法，系統(tǒng)分析了不銹鋼管道滲漏的原因。結(jié)果表明：來樣不銹鋼管道的化學(xué)成分不符合設(shè)計(jì)要求，材料中存在夾雜缺陷，抗腐蝕性較差，致使管道在應(yīng)力腐蝕介質(zhì)環(huán)境下裂紋萌生并擴(kuò)展貫穿壁厚，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，這是導(dǎo)致不銹鋼管道發(fā)生滲漏的主要原因。

不銹鋼管道 應(yīng)力腐蝕 裂紋 滲漏 彎管 焊接

1 情況簡介

某樹脂公司的管線裝置在使用中彎管及管道多處發(fā)生滲漏。于是，該公司來樣送檢。經(jīng)了解，來樣為不銹鋼的焊接彎管組件，設(shè)計(jì)要求的管道材料為美國牌號304不銹鋼，管道處于露天的工作環(huán)境，管外壁有保溫層保護(hù)，管內(nèi)物料的工作溫度為70℃，壓力＜8×105Pa，流速為0.5 m/s，工作時(shí)管內(nèi)物料不會(huì)發(fā)生凝固，但在常溫下管內(nèi)物料會(huì)發(fā)生凝固。

2 宏觀檢查

將來樣彎管外表面補(bǔ)漏的抱箍和橡膠去除后發(fā)現(xiàn)，滲漏主要發(fā)生在彎頭處，靠近焊縫部位，滲漏處及其附近管子外表面顏色較深，有大量點(diǎn)腐蝕凹坑，其外觀形貌見圖1、圖2。對彎管焊縫進(jìn)行表面滲透探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋性缺陷。

圖1 管子表面形貌

圖2 彎管表面腐蝕形貌

將來樣對剖，用丙酮清洗后觀察其內(nèi)壁形貌：彎管兩側(cè)的直管內(nèi)壁較為光潔，內(nèi)壁局部有少量較淺的腐蝕斑，無點(diǎn)蝕凹坑及裂紋缺陷；而彎管內(nèi)壁一側(cè)焊縫附近存在較淺的腐蝕斑及微裂紋，經(jīng)砂紙打磨后腐蝕斑底部未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕凹坑；內(nèi)壁其他部位較為光潔，無腐蝕斑、點(diǎn)蝕凹坑及裂紋。彎管內(nèi)壁的外觀形貌見圖3。

圖3 彎管內(nèi)壁腐蝕斑及裂紋放大形貌

3 滲透探傷

為了進(jìn)一步了解彎管內(nèi)壁裂紋分布及擴(kuò)展的情況，手工用砂紙打磨后對彎管內(nèi)壁進(jìn)行滲透探傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除原已發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁裂紋外，在腐蝕斑處也存在裂紋，見圖4。

圖4 腐蝕斑處裂紋放大形貌

4 低倍檢查

將彎管來樣整體熱酸侵蝕后，進(jìn)行低倍檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彎管補(bǔ)漏部位的外壁及其附近 （與彎管對焊的直管近焊縫部位）出現(xiàn)大量的細(xì)微裂紋，裂紋數(shù)量較多，起源于點(diǎn)蝕坑底部，呈樹叉枝狀分布。截取彎管壁厚截面觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋由點(diǎn)蝕坑底部向內(nèi)壁擴(kuò)展。除表面裂紋外，彎管內(nèi)壁一側(cè)焊縫附近（宏觀檢查中內(nèi)壁腐蝕斑及裂紋部位）出現(xiàn)多條斜向平行分布的細(xì)裂紋，其壁厚截面顯示，裂紋由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，部分裂紋已貫穿至外壁，其形貌見圖 5～圖 8。

圖5 酸蝕后泄漏外表面裂紋形貌

圖6 酸蝕后泄漏點(diǎn)外壁裂紋形貌

圖7 內(nèi)壁平行細(xì)裂紋形貌

圖8 壁厚截面處裂紋分布形貌

5 化學(xué)成分分析

來樣管子的化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果見表1。參照委托方設(shè)計(jì)要求的美國AISI標(biāo)準(zhǔn)中304不銹鋼的成分要求，來樣管子的化學(xué)成分不符合設(shè)計(jì)要求。

表1 來樣管化學(xué)成分檢測結(jié)果

6 冶金質(zhì)量檢查

采用線切割的方法，分別取彎管及直管的縱截面，按照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》，對來樣管子原材料中的夾雜物類別及數(shù)量進(jìn)行分析評級，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彎管中存在大量的氮化鈦非金屬夾雜物。 非金屬夾雜物分析結(jié)果見表2。夾雜物形貌見圖9。

表2 非金屬夾雜物分析結(jié)果

圖9 彎管夾雜物形貌

7 微觀組織分析

用線切割方法，分別在彎管的焊縫部位及裂紋部位、直管任意部位取樣進(jìn)行顯微組織分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，彎管補(bǔ)漏部位的內(nèi)外壁均存在裂紋，外壁裂紋起源于點(diǎn)蝕坑底部，呈樹枝狀分布，內(nèi)壁裂紋起源于內(nèi)壁焊縫附近的腐蝕斑處，大多平行斜向分布，存在分叉，大多為穿晶裂紋，內(nèi)外壁的部分裂紋已貫穿相通；裂紋主要集中分布在彎管一側(cè)近焊縫區(qū)域，內(nèi)外壁裂紋均具有應(yīng)力腐蝕裂紋的特征。彎管及直管母材的金相組織均為孿晶奧氏體。其組織形貌見圖10。

圖10 彎管組織形貌

8 掃描電鏡能譜分析

將彎管裂紋樣清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表3。

表3 彎管內(nèi)壁能譜分析

9 分析與討論

滲漏主要發(fā)生在彎管焊縫附近。對其滲透探傷、低倍酸蝕檢查的結(jié)果是：彎管焊縫附近滲漏部位及其附近外壁存在顏色較深的腐蝕斑和大量較為嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕凹坑，腐蝕斑和點(diǎn)腐蝕凹坑底部存在向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，部分裂紋已擴(kuò)展至外壁；內(nèi)壁較為光潔，無點(diǎn)蝕凹坑，但彎管一側(cè)焊縫附近存在腐蝕斑和微裂紋；微裂紋主要分布于彎管拉應(yīng)力較高的區(qū)域，裂紋基本斜向平行分布，先垂直于管壁，然后分叉向外壁擴(kuò)展；內(nèi)外壁裂紋均具有應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

對彎管的理化檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，來樣彎管的化學(xué)成分不符合設(shè)計(jì)要求的美國AISI標(biāo)準(zhǔn)中304不銹鋼材料的化學(xué)成分，材料中主要的抗腐蝕元素鉻含量偏低，同時(shí)組織中存在大量的脆性氮化鈦非金屬夾雜物。含鈦的奧氏體不銹鋼材料其在鋼中加入鈦的目的是讓碳優(yōu)先與鈦結(jié)合成TiC，不再與鉻化合成Cr23C6，從而起到防止晶間貧鉻，抑制晶間腐蝕的發(fā)生，提高材料抗晶間腐蝕能力的作用。而來樣彎管中的鈦與氮結(jié)合，未達(dá)到奧氏體不銹鋼加鈦的目的，反而產(chǎn)生了大量脆性的氮化鈦非金屬夾雜物。這樣的管道在加工及使用中，易在夾雜物周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，使其成為裂紋的發(fā)源點(diǎn)。其內(nèi)外壁裂紋發(fā)生的部位也是彎管拉應(yīng)力較高的區(qū)域 （離焊縫較近）。能譜分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外壁腐蝕斑及裂紋中均存在硫、氯等腐蝕性元素。使用中在工作應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)的共同作用下，在材料最薄弱的部位首先產(chǎn)生裂紋，然后裂紋在腐蝕介質(zhì)的作用下迅速擴(kuò)展，最終貫穿管壁，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致管道滲漏失效。

10 結(jié)論

（1）對照美國AISI標(biāo)準(zhǔn)，來樣彎管的化學(xué)成分不符合設(shè)計(jì)要求的AISI標(biāo)準(zhǔn)中304不銹鋼的成分。

（2）彎管外壁存在腐蝕斑及較為嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕凹坑，腐蝕斑及點(diǎn)蝕凹坑底部存在向內(nèi)壁擴(kuò)展的裂紋，裂紋呈樹枝狀，具有應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

（3）彎管內(nèi)壁存在腐蝕斑及微裂紋，微裂紋基本平行且斜向分布，主要集中在焊縫附近及彎管拉應(yīng)力較高區(qū)域，部分裂紋與外壁點(diǎn)蝕凹坑底部的裂紋相通，裂紋有較多分叉，具有應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

（4）彎管及其兩側(cè)的直管母材的金相組織為孿晶奧氏體，彎管的組織中存在大量脆性氮化鈦非金屬夾雜物，按照GB/T 10561—2005夾雜物評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評為D3.0級。來樣彎管及其組件的化學(xué)成分不符合設(shè)計(jì)要求，彎管的材料中存在缺陷，抗腐蝕性較差，在殘余的焊接應(yīng)力和工作應(yīng)力的共同作用下導(dǎo)致彎管發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

11 建議

（1）加強(qiáng)對原材料的質(zhì)量檢驗(yàn)，從源頭控制不合格材料的混入。

（2）在管子的焊接過程中，采取有效的措施，盡量降低或消除焊接引起的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，同時(shí)做好管子的防腐及外保護(hù)工作，保持管子表面清潔，防止雨水等滲入對管子造成腐蝕傷害。

（3）對使用環(huán)境中腐蝕性介質(zhì)的滲入加以控制。

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Cracking Analysis of Stainless Steel Pipe

Zhang Yongjun Lu Pin Zhao Xiuqing

The leakage cause of stainless steel pipe was systematically analyzed by fracture macroobservation,SEM,chemical analysis,acidmacro-etching,metallurgical phase analysis,etc.The results showed that the chemical composition of sample was not in accordance with the design requirement,and inclusion defect existed in the material with poor corrosion-resistance.In stress corrosion environment,the cracks formed,expanded and went through the wall.Consequently,stress corrosion cracking happened,which resulted in the leakage of pipe.

Stainless steel pipe;Stress corrosion;Cracking;Leakage； Elbow； Welding

TQ 050.9

*張擁軍，男，1962年生，工程師。上海市，201900。

2011-07-11）