不銹鋼儲(chǔ)罐下封頭腐蝕失效分析

曹慧泉 胡永強(qiáng) 馬琳琳 黃六一 鐘豐平 熊發(fā)浩

（浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，浙江 杭州 310009）

0 引言

不銹鋼材料抗腐蝕特性的根本，源于鉻元素會(huì)與外界的氧作用在其表面形成一層很薄的氧化膜（自鈍化膜），這一層氧化膜可阻止鋼基體進(jìn)一步腐蝕[1]。然而，在實(shí)際工況下，外部環(huán)境過(guò)于復(fù)雜，由于安裝、使用不當(dāng)，氧化鉻薄膜可能會(huì)被破壞，進(jìn)而在不銹鋼表面形成薄弱環(huán)節(jié)。如果外部接觸介質(zhì)中存在易對(duì)不銹鋼材料侵蝕的鹵族元素（尤其是氯離子），那么不銹鋼表面的“薄弱”位置就極易發(fā)生點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等破壞[2-5]。

某壓力容器制造廠生產(chǎn)的不銹鋼儲(chǔ)罐在使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)下封頭處泄漏，該儲(chǔ)罐筒體采用材質(zhì)為S30408，儲(chǔ)存介質(zhì)為乙酸乙酯和含氯的其他成分。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

從宏觀形貌可知，腐蝕主要從焊縫兩側(cè)的熔合線和熱影響區(qū)開始，孔洞處的腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色。

圖1 腐蝕處的宏觀照片

1.2 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)腐蝕的下封頭進(jìn)行X射線探傷檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，腐蝕坑主要分布于焊縫兩邊，其余區(qū)域也有分布，但與焊縫處相比較小。滲透檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)外壁部分區(qū)域已腐蝕貫穿，這說(shuō)明腐蝕破壞由內(nèi)壁開始，并沿管壁厚度方向發(fā)展，最終穿孔至外壁。

圖2 X射線探傷

1.3 化學(xué)分析

使用直讀光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表1所示，失效的下封頭化學(xué)成分符合GB/T 24511-2017標(biāo)準(zhǔn)中S30408材質(zhì)要求。

表1 化學(xué)成分（wt%）

1.4 金相組織分析

對(duì)失效件腐蝕區(qū)域取樣，制成金相試樣，經(jīng)拋光后采用采用DMI8 C型金相顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察。腐蝕坑附近金相組織如圖3所示，該腐蝕應(yīng)為點(diǎn)蝕，熱影響區(qū)可見顆粒狀碳化物分布。母材金相組織如圖4所示，主要為奧氏體，部分區(qū)域存在馬氏體，說(shuō)明下封頭存在較為明顯的冷變形，從而產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體相變。

圖3 腐蝕坑形貌

圖4 母材金相組織

1.5 力學(xué)性能分析

對(duì)失效件完好部位取樣后，進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果如表2所示，失效件的伸長(zhǎng)率偏低，不符合GB/T 24511-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是明顯偏高。

表2 下封頭力學(xué)性能

1.6 掃描電鏡與能譜分析

對(duì)試驗(yàn)腐蝕坑表面進(jìn)行微觀形貌分析，腐蝕形貌如圖5所示，由圖可見，腐蝕坑表面存在許多的點(diǎn)蝕小孔，點(diǎn)蝕孔尺寸較大且分布密集，腐蝕形貌呈點(diǎn)腐蝕特征。

圖5 腐蝕形貌

對(duì)試樣表面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果如表3所示，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵、鉻、鎳的氧化物，可見氯元素殘留。

表3 樣品能譜結(jié)果（%）

2 結(jié)果分析與討論

2.1 結(jié)果分析

（1）宏觀分析發(fā)現(xiàn)，失效件的腐蝕主要從儲(chǔ)罐內(nèi)壁焊縫兩側(cè)的熔合線和熱影響區(qū)開始，孔洞處的腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色；

（2）射線和滲透無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，失效件腐蝕坑主要位于焊縫兩側(cè)，其余區(qū)域也有分布，但腐蝕坑較小，腐蝕從內(nèi)壁擴(kuò)展至外壁，最終穿孔失效；

（3）由下封頭的理化分析檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，化學(xué)成分符合GB/T 24511-2009《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》標(biāo)準(zhǔn)的要求；熱影響區(qū)可見顆粒狀碳化物分布，說(shuō)明焊接熱影響區(qū)存在敏華現(xiàn)象。母材組織主要為奧氏體，部分區(qū)域存在馬氏體，說(shuō)明該下封頭存在較為明顯的冷變形，從而產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體相變；屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度偏高，伸長(zhǎng)率偏低，說(shuō)明該下封頭存在較為明顯的冷變硬化；

（4）由掃描電鏡和能譜分析可看出，腐蝕坑表面呈現(xiàn)明顯的點(diǎn)腐蝕特征，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵、鉻、鎳的氧化物，可見氯元素殘留。

2.2 腐蝕機(jī)理分析

儲(chǔ)罐腐蝕起源于焊縫兩側(cè)的融合線和熱影響區(qū)，由于熱影響區(qū)晶界上存在大量碳化物，導(dǎo)致該區(qū)域耐晶間腐蝕和點(diǎn)腐蝕能力下降，局部成穿透壁厚的小孔通道導(dǎo)致泄漏。

碳化物敏化溫度區(qū)域在450～850℃之間，其中尤以650℃最為危險(xiǎn)，該儲(chǔ)罐下封頭焊接時(shí)在危險(xiǎn)溫度區(qū)間內(nèi)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而在熱影響區(qū)形成大量碳化物，碳化物沉積造成局部區(qū)域存在貧鉻區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域的鈍化膜易于破壞，然后形成點(diǎn)蝕孔；儲(chǔ)罐的介質(zhì)為乙酸乙酯和含氯的其他成分，氯離子被稱為點(diǎn)蝕的“激發(fā)劑”，介質(zhì)中有少量氯離子存在就能使不銹鋼快速點(diǎn)蝕；同時(shí)，冷變形后產(chǎn)生板條馬氏體，板條狀馬氏體中還存有大量的缺陷，如位錯(cuò)、空位等，均會(huì)產(chǎn)生大量的孔蝕源，也會(huì)導(dǎo)致不銹鋼的抗點(diǎn)蝕能力下降。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合檢驗(yàn)檢測(cè)分析結(jié)果，可以得出結(jié)論為：儲(chǔ)罐存放的介質(zhì)中有含氯的成分，是腐蝕發(fā)生的點(diǎn)蝕劑；由于下封頭的內(nèi)表面焊縫熱影響區(qū)存在的碳化物沉積，是易發(fā)生腐蝕的點(diǎn)蝕源；同時(shí)，下封頭處存在明顯的冷變形，冷變形也會(huì)對(duì)點(diǎn)蝕有促進(jìn)作用；這些因素共同導(dǎo)致了儲(chǔ)罐下封頭點(diǎn)腐蝕失效的發(fā)生。

建議選用對(duì)氯元素敏感性較低的其他奧氏體不銹鋼材料，如316L；儲(chǔ)罐的下封頭焊接時(shí)，適當(dāng)調(diào)整焊接工藝，如降低焊接電流等，控制在危險(xiǎn)溫度區(qū)的停留時(shí)間，盡量減少碳化鉻化合物的生成；條件允許的情況下，可對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行固溶處理，奧氏體不銹鋼經(jīng)固熔處理后具有最佳的耐點(diǎn)蝕性能。