某220 kV變電站水管腐蝕開裂原因分析

劉 孝，陳 浩，郭心愛，史賢達，譚曉蒙

(內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020)

0 引 言

不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、焊接性，且機械強度高、高溫性能穩定，因此廣泛應用于石油化工、電力、冶金、航空航天等領域。如果不銹鋼構件因焊接或熱處理在敏化溫度區間停留時間過長，且未經有效的固溶處理，在腐蝕環境中則極易發生晶間腐蝕，使晶粒間的結合力減弱，造成材料強度和韌性急劇下降，給設備的運行帶來極大安全隱患[1-2]。

某220 kV變電站投運十年后，水管發生開裂泄漏。該鋼管直徑為89 mm，壁厚為4 mm，材質為12Cr17Mn6Ni5N鉻錳不銹鋼。為查找水管開裂泄漏原因，避免同類失效再次發生，對其進行檢驗分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

對泄漏的水管道進行宏觀形貌檢查，發現鋼管焊縫熱影響區靠近熔合線附近存在水漬，此處為鋼管泄漏點。此外，整個鋼管未見明顯機械損傷及塑性變形，如圖1所示。

圖1 泄漏的水管道宏觀形貌Fig.1 The micromorphology of the cracked water pipe

1.2 金相檢驗

對泄漏的水管道取樣進行顯微組織分析，其金相組織為單相奧氏體組織，并伴有大量孿晶，組織未見明顯變形，斷面內存在多處腐蝕坑，局部區域晶粒已脫落，焊縫存在未熔合缺陷，具有典型的晶間腐蝕特征[3]，如圖2所示。

圖2 水管道各部位微觀組織形貌Fig.2 The metallographic structure of the cracked water pipe

1.3 化學成分檢測

對泄漏的水管道取樣進行化學成分檢測，檢測結果見表1?？梢钥闯?，水管道中各元素含量符合標準對12Cr17Mn6Ni5N鉻錳不銹鋼的要求。

表1 水管道化學成分檢測結果Table 1 Chemical analysis result of the cracked water pipe 單位：%

1.4 斷面形貌及能譜分析

利用掃描電鏡對水管道斷口進行微區形貌分析，可以發現，其斷面內存在大量的沿晶開裂的微裂紋，與不銹鋼晶間腐蝕開裂的微觀特征一致，如圖3所示。利用能譜分析儀EDS對圖4所示的腐蝕產物進行成分分析，分析結果見圖5和表2。結果表明，該腐蝕產物中含有能夠加快不銹鋼晶間腐蝕速度的氯元素。

圖3 水管道斷面微觀形貌Fig.3 The SEM morphology of the cross-section of the cracked water pipe

圖4 能譜分析區域Fig.4 The region for energy spectrum analysis

圖5 腐蝕產物能譜分析圖Fig.5 Energy spectrum analysis chart for corrosion products

表2 腐蝕產物成分能譜分析結果Table 2 Energy spectrum analysis result of corrosion products 單位：%

2 分析與討論

奧氏體不銹鋼含有較高的鉻，鉻易氧化形成致密的氧化層保護膜，可以阻止氧化介質的滲入，該氧化膜若遭到破壞，能夠自行修復。此外，鉻可以提高鋼的電極電位，當鉻含量大于11%時，不銹鋼具有良好的耐腐蝕性[4]。

室溫下，碳在奧氏體中的溶解度約為0.02%，而水管道中的碳含量為0.09%，遠高于0.02%。當對奧氏體不銹鋼管進行焊接時，焊縫周圍金屬材料可被加熱到400～910 ℃。此時，碳在不銹鋼晶粒內部的擴散速度大于鉻的擴散速度，多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻發生化合反應，在晶間形成碳和鉻的化合物Cr23C6。而鉻的擴散速度較小，所以在晶間所形成的Cr23C6中所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內部，而是來自晶界附近，結果就使晶界附近的含鉻量大為減少。當晶界附近的鉻的質量分數低到11%時，就形成相對的“貧鉻區”，“貧鉻區”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區”之間存在著一定的電位差，在腐蝕介質中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區”作為陽極與晶粒構成大陰極小陽極的微電偶電池，造成“貧鉻區”的選擇性局部腐蝕，晶界不斷受到腐蝕，導致水管道發生晶間腐蝕[5-7]。同時，水管道內介質中含有大量氯離子，因氯離子半徑較小，易吸附在金屬表面，對氧化鉻保護膜具有很強的穿透性，并與鉻反應生成可溶性氯化鉻，造成不銹鋼中的鉻不斷被消耗，從而進一步加速水管道的晶間腐蝕。最后，在管道內高壓介質的作用下，晶間結合力弱化、力學性能嚴重下降的水管開裂泄漏[8-10]。

綜上分析，水管道因焊接工藝控制不當，在不銹鋼敏化溫度區間停留時間過長，使得焊縫熱影響區附近管材晶界貧鉻、耐蝕性下降，導致鋼管的晶間腐蝕，同時管內介質中的氯離子進一步加劇了晶間腐蝕程度，最終在水管道介質內壓的作用下，鋼管開裂泄漏。

3 結 語

對某220 kV變電站水管腐蝕開裂原因進行試驗分析，得出開裂原因，并提出如下建議：

1)水管道焊接后應立即進行固溶處理，使碳化物完全溶解并保留在奧氏體中，以提高其抗晶間腐蝕能力；

2)應嚴格控制水管道的焊接工藝參數，選擇較低的焊接熱量和層間溫度，加快焊縫的冷卻速度，減少其在敏感溫度下的停留時間，避免晶間腐蝕的發生；

3)建議盡可能選擇含碳量較低的不銹鋼管作為水管道，以減少碳與鉻反應生成碳化鉻，并降低其晶間腐蝕傾向，同時因鈦和鈮能優先與碳反應生成化合物，故在不銹鋼中加入適量的鈦和鈮元素，可以有效消耗晶界附近過飽和的碳，避免碳與鉻結合形成“貧鉻區”而發生晶間腐蝕。