316L不銹鋼盤管的泄漏失效分析

方學鋒，梁斌，業(yè)成，張伯君，于永亮

南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 江蘇南京 210019

316L屬于奧氏體不銹鋼，對應國內牌號為022Cr17Ni12Mo2，具有良好的塑性和耐蝕性，該不銹鋼中添加的Mo元素極大地提高了其抗點蝕能力[1]。因此，316L不銹鋼被廣泛應用于石化、醫(yī)藥等行業(yè)。某企業(yè)使用的316L不銹鋼盤管在使用過程中發(fā)現管壁泄漏穿孔現象。管內工作介質為水蒸汽，工作壓力0.9MPa，管外介質為強堿、銅粉，工作壓力1.0MPa，內外壁存在壓力差。筆者對其失效原因進行了試驗分析和研究。

1 宏觀分析

1.1 目視檢查

從外部宏觀目視檢查發(fā)現，泄漏孔在外壁顯示為一個直徑約2mm的小孔，如圖1a所示。在內壁顯示為4個直徑約為1mm的縱向排列小孔，并可見大量“翹皮”狀裂紋，如圖1b所示。

圖1 泄漏孔宏觀形貌

1.2 放大宏觀檢查

采用變倍體視顯微鏡觀察，圖2a為內壁泄漏孔放大40倍后的宏觀照片；圖2b為剖開后的泄漏孔形貌，孔內空間比較大，總體積約4mm3，孔壁起伏不平、不規(guī)則。

圖2 泄漏孔形貌

2 檢測分析

2.1 光譜化學成分分析

對泄漏孔周邊取樣用全譜直讀光譜儀進行化學成分分析，結果（平均值）見表1，與ASME SA213[2]中TP316L材料成分比較，符合標準要求。

2.2 拉伸試驗

采用電子萬能試驗機，在盤管上取樣進行拉伸試驗，結果見表2。試樣斷口形貌為塑性斷裂。通過對比可知，材料的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合ASME SA213標準。

表1 化學成分（質量分數）分析結果 （%）

表2 力學性能檢測結果

2.3 工藝性能試驗

采用電子萬能試驗機進行擴口、壓扁試驗，結果見表3，試驗后擴口試樣形貌如圖3所示，管內壁無裂紋。壓扁試樣形貌如圖4所示，壓扁試樣外壁拉伸面產生裂紋，裂紋開口端外壁位置為陳舊斷口，裂紋尖端為新斷口，可見管外壁存在舊裂紋。

圖3 擴口試樣

圖4 壓扁試樣拉伸面裂紋

表3 工藝性能試驗結果

2.4 顯微金相分析

在盤管內外壁及內部加工顯微金相試樣，試樣橫截面經磨制、拋光，用金相顯微鏡放大后觀察。從圖5a可見，盤管內壁上存在“翹皮”狀裂紋，在“翹皮”底部還存在微裂紋；從圖5b可以看出，外壁上存在大量微裂紋，在缺陷或腐蝕坑處萌生，沿夾雜物擴張；從圖5c可見，內部存在大量粒狀、條狀、塊狀夾雜物，夾雜物尺寸為5 ~ 25μm。

圖5 盤管材料不同區(qū)域圖

經腐蝕后的試樣，金相顯微鏡觀察組織為奧氏體，平均晶粒度為6.5級，并發(fā)現在晶界上有析出相，如圖6a所示。從圖6b可見，內壁存在大量變形滑移線，說明存在殘余應力；從圖6c可見，外壁存在上存在穿晶型及沿晶型裂紋[3]。

圖6 金相圖

2.5 掃描電鏡分析

對裂紋斷口處采用掃描電鏡觀察，圖7a為陳舊斷口，從圖7b泄漏孔內壁形貌可以看出，表面上均存在“泥紋花樣”腐蝕產物。

2.6 能譜分析

對圖7a陳舊斷口取樣進行能譜分析，如圖8所示，結果見表4，腐蝕產物較為復雜，主要成分為氧化物，還夾雜有Cu、Na等。

表4 能譜分析結果（質量分數） （%）

3 綜合分析

綜合以上試驗數據，盤管TP316L不銹鋼的化學成分、抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率都滿足ASME SA213標準要求。擴口試驗合格，壓扁試驗管外壁拉伸面出現裂紋，開口端為陳舊裂紋。金相顯微分析、SEM+EDS表明，組織為奧氏體不銹鋼，但存在大小不等的顆粒狀夾雜物，表面有“泥紋花樣”腐蝕產物，尤其是泄漏孔處。孔壁起伏不規(guī)則，在“翹皮”處存在大量微裂紋，并沿夾雜物擴張。

圖7 失效部位掃描電鏡形貌

4 結論與建議

316L不銹鋼盤管泄漏的主要原因是材料中存在大量夾雜物、氧化物腐蝕產物、微裂紋等。基體連續(xù)性因夾雜物的存在而遭到破壞，在殘余應力、內外壁壓力差等共同作用下，夾雜物處很容易產生裂紋并擴展，而夾雜物與高溫水蒸汽介質接觸，由于夾雜物的耐蝕性遠低于材料本身，因此夾雜物被腐蝕，最終管壁內部形成孔洞，導致管壁穿孔，發(fā)生泄漏[4]。為避免發(fā)生類似泄漏失效，建議如下：

1）對于該盤管的服役環(huán)境，應選用夾雜物少的高質量316L不銹鋼材料。

2）控制工作介質純度，盡可能避免腐蝕性物質對管子的影響。

3）盤管構件在彎曲、焊接后進行熱處理，以有效釋放殘余應力。

圖8 分析點能譜圖