液氨管道不銹鋼三通開裂失效分析

劉天佐

摘 要：本文針對液氨管道不銹鋼三通出現開裂問題，進行了一系列理化試驗，包括拉伸、金相、掃描電鏡觀察等，最終確定此次裂紋開裂性質為應力腐蝕裂紋，造成三通開裂的主要原因是該三通未進行固溶處理，且運行環境中存在Cl等腐蝕性元素，而三通材質中P含量過高，Cr含量過低促進了應力腐蝕裂紋的萌生和擴展。

關鍵詞：液氨管道；不銹鋼三通；應力腐蝕裂紋；失效分析

中圖分類號：TQ53 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0072-03

1 概述

某電廠氨區液氨管道不銹鋼三通發生開裂泄漏，不銹鋼三通規格為Φ108×4mm，材質為SA-213TP304H，運行介質為氨蒸汽，運行溫度約200℃，運行壓力小于1MPa，運行時間約15000h。

2 檢驗內容

2.1 宏觀檢查

對發生開裂的不銹鋼三通進行宏觀檢查，宏觀照片及取樣位置示意圖如圖1所示。

宏觀檢查發現，三通本體兩側各有一條裂紋，一側裂紋長約90mm，另一側裂紋長約55mm，兩條裂紋形態均為平直型，裂紋開口較小，沒有明顯的宏觀塑性變形。三通外表面腐蝕不明顯，但剖開后發現內表面有較多的腐蝕產物。

2.2 化學成分分析

對不銹鋼三通取樣鉆取鐵屑，利用PerkinElmer Optima210 0DV電感耦合等離子體發射光譜儀和C、S分析儀，依據GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測定 高頻感應爐燃燒后紅外吸收法》及GB/T 223《鋼鐵及合金化學分析方法》進行化學成分分析，成分分析結果見表1。

化學成分結果表明，三通取樣的C含量低于GB5310-2008中對07Cr19Ni10（TP304H）鋼C含量規定的下限值，但仍在允許的偏差范圍內，而P含量高于標準規定的上限值，Cr含量低于規定的下限值，P和Cr的含量已超出標準允許的偏差范圍。

2.3 室溫拉伸試驗

依據GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，對三通取樣進行室溫拉伸試驗，拉伸試樣采用弧線試樣，保留原表面，使用設備為日本島津AG-IC 100kN精密電子萬能材料試驗機。試驗結果見表2。

室溫拉伸試驗檢驗結果表明，三通取樣的室溫抗拉強度和屈服強度顯著高于GB5310-2008中對07Cr19Ni10（TP304H）鋼規定的上限值，而延伸率則明顯偏低，不到標準規定下限值的一半。

2.4 金相檢驗

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能金相顯微鏡，依據GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》對三通本體斷面處取樣1#、三通本體裂紋尖端處取樣2#和直段母材取樣3#進行觀察和檢驗，金相檢驗照片見圖2～圖4，金相檢驗結果如下：

由圖2金相組織照片可以看出，三通本體斷面處取樣1#的金相組織為奧氏體組織，基體內存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長變形特征，晶粒度為5～6級。斷面處呈沿晶斷裂特征，可見二次裂紋。

由圖3金相組織照片可以看出，三通本體裂紋尖端處取樣2#的金相組織為奧氏體組織，基體內存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長變形特征，晶粒度為5～6級。裂紋有明顯的分叉，裂紋以沿晶型開裂特征為主。

由圖4金相組織照片可以看出，直段母材取樣3#的金相組織為孿晶奧氏體組織，晶粒度為6～7級，組織正常。

2.5 非金屬夾雜檢驗

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能金相顯微鏡，依據GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》對三通取樣進行非金屬夾雜物檢驗，檢驗照片見圖5，檢驗結果見表3。

非金屬夾雜物檢驗結果表明，各位置取樣的非金屬夾雜物等級滿足GB5310-2008的要求。

2.6 維氏硬度試驗

對各位置取樣的金相樣品表面進行維氏硬度檢驗，維氏硬度檢驗依據GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準，在金相檢驗面進行，測試設備為HV-50Z型自動轉塔數顯維氏硬度計，試驗力為10kgf，試驗力保持時間10s。維氏硬度檢驗結果見表4。

三通取樣的維氏硬度檢驗結果表明，三通本體取樣的硬度值顯著高于GB5310-2008中對07Cr19Ni10（TP304H）鋼規定的上限值，直段母材取樣的硬度值滿足標準要求。

2.7 掃描電鏡微觀觀察及能譜分析

依據JY/T 010《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，對三通斷口取樣進行掃描電鏡微觀觀察及能譜微區成分分析，結果見圖6和圖7。

通過對三通斷口的掃描電鏡觀察及能譜分析可以看出，斷口由內壁側啟裂向外壁側擴展，整個斷面均為冰糖塊狀的沿晶型斷裂特征，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產物，內壁側啟裂區尤為明顯，且有較多的腐蝕坑。對腐蝕產物的能譜分析發現，腐蝕產物中有一定量的Cl、S等腐蝕性元素。

3 分析與討論

綜上理化檢驗結果分析，三通強度和硬度顯著高于標準的規定值（抗拉強度均值是標準規定下限值的2.2倍，屈服強度均值是標準規定下限值的4.8倍，硬度均值是標準規定上限值的2.2倍），且金相檢驗發現三通本體基體內存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長變形特征，這些特征表明，三通在加工完成后沒有進行固溶處理，形變硬化程度較高，內應力沒有消除。

其次，宏觀檢驗發現三通內表面有較多的腐蝕產物，斷口掃描電鏡觀察發現斷口由內壁側啟裂向外壁側擴展，整個斷面均為冰糖塊狀的沿晶型斷裂特征，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產物，內壁側啟裂區尤為明顯，且有較多的腐蝕坑。對腐蝕產物的能譜分析發現，腐蝕產物中有一定量的Cl、S等腐蝕性元素。同時，金相檢驗發現，裂紋有明顯的分叉，裂紋以沿晶型開裂特征為主。以上特征表明，該三通裂紋具備應力腐蝕裂紋的特征，且運行環境中存在Cl等腐蝕性元素。

再者，對三通的化學成分檢驗發現，取樣的P含量高于標準規定的上限值，Cr含量低于規定的下限值。過高的P含量易引起P元素在晶界偏聚，弱化晶界，而過低的Cr含量會降低不銹鋼的耐蝕性能。

因此，綜合分析，該三通未進行固溶處理，強度過高，韌性不足，存在較大的內應力，同時，運行環境中存在Cl等腐蝕性元素，導致該三通發生了應力腐蝕開裂，而P含量過高，Cr含量過低進一步加速了應力腐蝕裂紋的萌生和擴展，最終引起泄漏失效。

4 結論及建議

液氨管道不銹鋼三通的裂紋為應力腐蝕裂紋，造成三通開裂的主要原因是該三通未進行固溶處理，且運行環境中存在Cl等腐蝕性元素，而三通材質P含量過高，Cr含量過低促進了應力腐蝕裂紋的萌生和擴展。針對以上結論，建議如下：

（1）對制造三通的原始材料進行理化性能檢驗，確保各項性能滿足相關標準的規定；

（2）三通制造成型后及時按標準進行固溶處理，充分消除加工引起的形變硬化和內應力；

（3）對運行環境進行篩查，避免Cl元素等不銹鋼應力腐蝕開裂敏感性元素進入運行環境中。

參考文獻

[1]陳衛兵.液氨管道的腐蝕原因及預防[J].科技展望，2015，（07）：166.

[2]郭淼，陶然，林春來，馬莉.金屬材料拉伸試驗標準對比及應用[J].物理測試，2013，（05）：57-60.