燃機電廠304不銹鋼三通管應力腐蝕開裂的原因

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(國網浙江省電力有限公司 電力科學研究院，杭州 310014)

某燃機電廠天然氣輸送管道的一只304不銹鋼三通管發生開裂并泄漏，導致機組非正常停機，給公司造成了不小的損失。為杜絕此類事故的再次發生，保證機組的安全穩定運行，本工作對開裂的304不銹鋼三通管進行了研究，以期找出產生裂紋的原因，并給出相應的預防及改善措施。

1　理化檢驗

1.1　宏觀形貌分析

泄漏三通管的內徑約為74 mm，壁厚為8 mm，其中部有一條長度約為8 cm的裂紋，裂紋周圍區域的管體并無明顯異常，見圖1。利用線切割對三通管樣品進行了加工，獲取了主要的開裂部分以觀察其內表面形貌。由圖2可見:裂紋已經在壁厚方向上穿透了整個三通管的壁面。裂紋的部分邊緣區域呈現出棕黃色的銹蝕痕跡。經測量，內表面上的裂紋長度約為9 cm，略大于外表面上的裂紋長度。

圖1　三通管外表面的宏觀形貌Fig. 1　External surface macroscopic morphology of the three-way pipe

同時，采用ZEISS Stemi 2000-C型體視顯微鏡對三通管的斷口進行了宏觀檢查，典型的斷口宏觀形貌如圖3所示。斷口整體并不十分平整，略有起伏，塑性變形很小。在斷口的內表面側(圖3中的左側)存在不少棕黃色的銹蝕區域，不同銹蝕區域的銹蝕程度略有不同。而在其外表面側(圖3中的右側)則不存在類似區域，這與內側的形貌形成了鮮明對比。

圖2　三通管內表面的宏觀形貌Fig. 2　Internal surface macroscopic morphology of the three-way pipe

(a)　斷口

(b)　銹蝕區域圖3　三通管斷口的宏觀形貌Fig. 3　Fracture morphology of the three-way pipe:(a)fracture; (b)corroded area

1.2　化學成分分析

三通管樣品的化學成分復核工作在SPECTRO TEST型直讀光譜儀上完成，結果列于表1中。參考GB/T 12271-2008及GB/T 222-2005對06Cr19Ni10不銹鋼(即304不銹鋼)的成分要求，三

表1　三通管的化學成分Tab. 1　Chemical composition of the three-way pipe　%

通管中的鉻和鎳的含量略低于標準值，但仍然位于成品鋼化學成分允許偏差之內，而其他元素完全符合標準。因此，可以認為三通管的化學成分符合304不銹鋼的要求，廠家提供的材質信息正確。

1.3　力學性能分析

根據GB/T 228.1-2010，從三通管上取樣在萬能試驗機上進行了室溫拉伸試驗，結果如表2所示。從表中可以看出，三通管的抗拉強度、規定非比例延伸強度以及斷后伸長率均符合GB/T 12271-2008中對06Cr19Ni10不銹鋼(即304不銹鋼)的要求，力學性能合格。

表2　三通管的力學性能Tab. 2　Mechanical properties of the three-way pipe

1.4　金相分析

利用ZEISS Axiovert 200型光學顯微鏡觀察了三通管裂紋及其附近區域的金相組織，如圖4所示。三通管的金相組織為奧氏體，晶粒呈長條形，組織中未見明顯的老化或晶間腐蝕的跡象。裂紋在擴展時并非沿著單一方向，而是不斷分叉形成了許多支裂紋。這說明裂紋在擴展時，在某一方向的擴展速率較快，而在其他方向的擴展速率較慢。

1.5　掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析

將斷口樣品經超聲清洗后,采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌見圖5。從圖中可以看出，在斷口靠近內表面一側的銹蝕區域內存在為數眾多且面積較大的泥狀花樣腐蝕產物以及一些微小的腐蝕坑。在眾多的泥狀花樣區域中選取了一處進行了X射線能譜(EDS)分析，分析區域及分析結果如圖6及表3所示。結果顯示，泥狀花樣腐蝕產物中有氯離子及硫離子的存在，且氧元素的質量分數高達30.98%，證明泥狀花樣腐蝕產物是以鐵的氧化物為主。

(a)　裂紋起始處

(b)　分叉狀裂紋圖4　三通管的光學顯微組織Fig. 4　Optical microstructures of the three-way pipe:(a) origin of the crack; (b) biforked crack

(a)　邊緣的泥狀花樣

(b)　中部的泥狀花樣圖5　三通管的SEM微觀形貌Fig. 5　SEM microstructure of the three-way pipe:(a) mud patterns at the edge;(b) mud patterns at the center

(a)　分析區域

(b)　分析結果圖6　EDS分析結果Fig. 6　Analysis results of EDS: (a) analysis area;(b) analysis result

wCwOwSwClwFe6.3830.980.531.0261.09

2　分析與討論

2.1　失效原因分析

本次出現裂紋的304不銹鋼三通管是天然氣輸氣管道的一個部件，平時常溫運行，運行溫度較低，受力較小，因此可以排除過熱裂紋或熱疲勞裂紋的可能性。從上述試驗結果來看，在三通管內側存在為數不少的腐蝕區域并且內壁上的裂紋長度大于外壁的，這表明裂紋是在管壁內側的腐蝕區域形成并逐漸向管壁外側擴展直至穿透整個壁面的。此外，光學顯微鏡觀察到裂紋呈現分叉狀，SEM在斷口發現了數量眾多并且面積較大的泥狀花樣腐蝕產物，EDS分析證實泥狀花樣腐蝕產物內包含質量分數高達1.02%的氯離子。上述三點使得三通管的裂紋同時具備了應力腐蝕開裂的三大特征。因此綜合來看，可以判定本次事故是304不銹鋼三通管應力腐蝕開裂而引起的。

應力腐蝕開裂是一種成因較為復雜的失效形式，必須同時具備材料、應力以及環境三個因素才能發生，缺一不可。發生泄漏的三通管材質為304不銹鋼,該種材料因具備較好的抗腐蝕性能和加工性能得到了大規模的運用，但304不銹鋼的應力腐蝕開裂敏感性較高，對其發生應力腐蝕開裂的報道已不在少數[1-2]。三通管與天然氣管道的連接形式為焊接加工，而焊接接頭由于受熱不均勻，冷卻后會在內部形成殘余應力，其中一些區域肯定會承受拉應力，這為應力腐蝕開裂埋下了較大的隱患。除了焊接殘余應力，金光熙等[3]研究發現:304不銹鋼中的部分奧氏體組織會在冷加工過程中轉變為馬氏體，引起組織不均勻的體積變化從而在材料內部形成很大的殘余應力。這些馬氏體組織還會在裂紋擴展過程中選擇性溶解，成為裂紋擴展的活性通道[4]，因此危害很大。作為鍛件的三通管當然也面臨著這種風險。該三通管是天然氣輸送管道的一部分，工作時處于一個相對封閉的獨立環境中，按理應不易形成含量較高的氯離子的腐蝕環境。但天然氣均不可避免地含有一定量的氯[5]，當天然氣中的氯在管內壁表面的液膜不斷累積就會慢慢形成一個氯離子含量較大的腐蝕環境。氯離子首先會破壞金屬表面致密的Cr2O3鈍化膜而形成點蝕，隨后在拉應力的作用下，以點蝕坑為裂紋源形成開裂[6]。周宅忠[7]的研究表明,304不銹鋼易于在50～150 ℃且氯離子質量分數為0.05%～1.00%的條件下發生應力腐蝕開裂，這與EDS分析結果中氯含量以及三通管所處的實際工況較為吻合。

2.2　預防及改善建議

應力腐蝕開裂的形成需要材料、應力及環境三方面因素共同作用，預防及改善措施也應從這三個方面著手。首先，可將氯脆傾向較大的304不銹鋼替換為不易發生應力腐蝕開裂的低合金鋼。其次，在三通管焊接過后應對其進行退火處理以降低內部的殘余應力，特別是拉應力。以往的試驗數據表明，對304不銹鋼進行700 ℃以上的熱處理后，內應力就能顯著下降，應力腐蝕開裂的敏感性也會大大降低[1]。最后，需嚴控輸氣管道的工作環境，重點監測管路中是否有積水現象，防止高含量氯離子環境的形成。

3　結論

(1) 本次燃機電廠304不銹鋼三通管的裂紋是在拉應力及氯離子的聯合作用下因應力腐蝕開裂形成的。該裂紋同時具備了分叉狀裂紋、泥狀花樣、氯離子含量較高三大特征。

(2) 應通過更換材料，對焊接接頭去應力退火，嚴控工作環境等措施可降低管道發生應力腐蝕開裂的風險。

參考文獻：

[1]沈保羅,李旭初. 奧氏體不銹鋼產生氯脆的影響因素及對策[J]. 化工腐蝕與防護,1996,2:17-22.

[2]許萬劍,楊春麗,趙宏祝,等. 304不銹鋼焊管應力腐蝕開裂原因[J]. 腐蝕與防護,2014,35(5):511-513.

[3]金光熙,樸美善. 304不銹鋼封頭應力腐蝕開裂失效分析[J]. 熱加工工藝,2011,40(23):226-228.

[4]方智,吳蔭順,曹備,等. 奧氏體304不銹鋼在活化態下的應力腐蝕與馬氏體相變[J]. 中國腐蝕與防護學報,1994,14(4):277-281.

[5]侯晉,竇懷智,張曉冬,等. 離子色譜法測定進口天然氣中的氟和氯[J]. 化工時刊,2014,28(12):18-20.

[6]李巖,方可偉,劉飛華. Cl-對304L不銹鋼從點蝕到應力腐蝕轉變行為的影響[J]. 腐蝕與防護,2012,33(11):955-959.

[7]周宅忠. 奧氏體不銹鋼在高濃度氯化物溶液中的應力腐蝕斷裂[J]. 儀表材料,1990,21(3):170-178.