304不銹鋼彎頭開裂原因分析

潘恒沛，王剛，郭海霞，張欣耀，3

1.洛陽船舶材料研究所 河南洛陽 471023

2.洛陽雙瑞萬基鈦業有限公司 河南洛陽 471023

3.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室 河南洛陽 471023

1 序言

某管道不銹鋼彎頭在使用過程中發生了開裂，管道內主要成分為甲醇，作用為吸收煤氣中的H2S、CO2等氣體，在使用一段時間后彎頭上產生了一條較長的裂紋，甲醇泄漏。為查明泄漏原因，筆者對彎頭裂紋產生原因進行了分析。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

宏觀觀察，未發現彎頭外表面有明顯的腐蝕特征，彎頭裂紋較窄，長度約80mm，裂紋方向與管道軸向呈45°夾角，裂紋附近未發現明顯的機械損傷和變形特征。彎頭裂紋形貌如圖1所示，箭頭指向為裂紋位置。

圖1 彎頭裂紋形貌

2.2 化學成分分析

取彎頭試樣進行化學成分分析，結果見表1。彎頭材質符合G B/T 1220—2007對304不銹鋼的（06Cr19Ni10）化學成分要求。

表1 304不銹鋼彎頭化學成分（質量分數）（%）

2.3 力學性能檢測

取彎頭試樣進行力學性能檢測，結果見表2。彎頭力學性能符合GB/T 14976—2012對304不銹鋼（06Cr19Ni10）拉伸性能的要求。

表2 力學性能分析結果

2.4 掃描電鏡分析

將斷口打開后置于掃描電鏡下進行觀察，裂紋斷口整體較平整，裂紋起裂于彎頭管道內表面，由內表面向外表面擴展。裂紋擴展區主要呈現沿晶+準解理特征，整個斷口呈現脆性斷裂特征，形貌如圖2、圖3所示。將斷口清洗后進行能譜分析，斷口表面S、Cl元素含量較高，能譜分析如圖4所示。能譜分析結果見表3。

圖2 裂紋源區低倍形貌

圖3 裂紋擴展區形貌

圖4 斷口能譜分析

表3 能譜分析結果 （%）

2.5 金相分析

對裂紋截面拋光態進行觀察，在斷裂面上發現有二次裂紋，斷裂面附近未發現明顯的夾雜物及其他缺陷。裂紋截面形貌如圖5所示，箭頭指示面為裂紋斷裂面。

圖5 裂紋截面形貌（100×）

浸蝕后觀察，彎頭金相組織為孿晶奧氏體+δ-鐵素體，奧氏體晶粒內分布有大量滑移線，金相組織如圖6所示。

圖6 金相組織（400×）

3 分析與討論

通過符合性檢驗可知，彎頭的化學成分及力學性能符合相關標準要求，裂紋附近也未發現明顯的冶金缺陷及機械損傷痕跡，彎頭的材質正常。彎頭的外表面沒有發現明顯的腐蝕，裂紋較窄，附近也未發現明顯塑性變形特征；裂紋斷口整體較平整，未觀察到剪切唇等明顯的塑性變形痕跡，整個斷口呈現脆性斷裂特征，主要為沿晶+準解理的混合斷口。對裂紋截面進行觀察，斷裂面上發現有二次裂紋，上述斷裂特征符合應力腐蝕開裂斷口形態[1]；能譜分析表明彎頭工作過程中應接觸了含S、Cl元素腐蝕介質；金相組織為孿晶奧氏體+δ-鐵素體，奧氏體晶粒內分布有大量滑移線，表明彎頭經過變形后未經過適當的熱處理，彎頭存在明顯的加工硬化現象，自身存在較大應力[2]。

應力腐蝕開裂是導致金屬構件失效的最常見的原因之一，是金屬構件在拉應力和特定腐蝕介質共同作用下而發生的脆性斷裂現象[3]。金屬構件發生應力腐蝕開裂需要同時滿足敏感的材料、拉應力和特定介質[4]等三個基本條件。已知彎頭工作接觸腐蝕性介質，斷口也存在易引起腐蝕的S、Cl等元素；彎頭經變形加工后未進行有效的熱處理，不可避免地存在較大的殘余拉應力；彎頭材質304奧氏體不銹鋼對含S、Cl的腐蝕性介質具有應力腐蝕敏感性。

綜上所述，彎頭失效模式為應力腐蝕開裂失效。

4 結束語

彎頭失效模式為應力腐蝕開裂失效，裂紋由內壁向外壁擴展，貫穿壁厚。彎頭的力學性能、化學成分符合相關技術指標要求，彎頭自身存在較大的拉應力及含S、Cl元素的腐蝕環境是應力腐蝕開裂產生的原因。建議彎頭成形后進行適當的去應力處理。