案例分享：不銹鋼管腐蝕開裂分析
2021-06-29 02:11:58
hualin
由于(yu)(yu)具(ju)有優良的耐(nai)蝕性，304不(bu)銹鋼被(bei)廣泛地用(yong)于(yu)(yu)要求(qiu)良好綜(zong)合性能（耐(nai)蝕性和成形性）的設備和機件，在化工設備、壓力容器(qi)等行業(ye)應(ying)用(yong)廣泛。某化肥廠硫酸管(guan)，用(yong)于(yu)(yu)硫酸泵(beng)出口（0.82MPa）與反應(ying)器(qi)之間連接(jie)(jie)(jie)，該(gai)泵(beng)流量14m3/h，揚程63m，硫酸濃度(du)為(wei)93.5%，使(shi)(shi)用(yong)溫度(du)為(wei)常溫。該(gai)管(guan)道于(yu)(yu)2016年(nian)更換，在使(shi)(shi)用(yong)兩年(nian)后，在泵(beng)進(jin)出口排放(fang)管(guan)及壓力表(biao)接(jie)(jie)(jie)口高頸法蘭(lan)焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)處(chu)出現滲(shen)液(ye)現象。對管(guan)壁(bi)進(jin)行清洗(xi)、滲(shen)透檢測(ce)并發現裂紋(wen)（見圖1）。查閱原始資料，該(gai)鋼管(guan)材質為(wei)304不(bu)銹鋼，管(guan)徑為(wei)DN50，壁(bi)厚(hou)3.5mm，在焊(han)(han)(han)接(jie)(jie)(jie)后進(jin)行滲(shen)透檢測(ce)，結果合格(ge)。將該(gai)鋼管(guan)切割取樣，經檢測(ce)發現，滲(shen)液(ye)處(chu)位于(yu)(yu)焊(han)(han)(han)縫區域并發現裂紋(wen)。
圖1 硫酸管開裂(lie)位置及開裂(lie)形貌
為(wei)查明(ming)不銹鋼管腐蝕(shi)開裂失效(xiao)的原(yuan)因，避免再(zai)次發生危險，本文擬對失效(xiao)鋼管件(jian)進行化學(xue)成分、金相顯微及掃(sao)描電(dian)鏡(jing)分析，從而(er)得出失效(xiao)原(yuan)因，并(bing)提出預(yu)防措施。
一、試驗方法
（1）化學成分(fen)分(fen)析
采用ARL-4460直讀光譜儀分別對(dui)不銹鋼管的(de)母(mu)材及焊縫(feng)的(de)化(hua)學成分進(jin)行檢測，確定化(hua)學成分是(shi)否符合標準(zhun)要求。
（2）金相(xiang)顯(xian)微分(fen)析(xi)
從滲液處（見圖(tu)1c）截取(qu)試(shi)樣，試(shi)樣包括(kuo)母材、焊縫和熱影(ying)響區，對試(shi)樣進(jin)(jin)行預磨(mo)、粗(cu)磨(mo)、精(jing)磨(mo)和拋光，使用(yong)OLYMPUS-GX51金相顯(xian)微鏡對試(shi)樣進(jin)(jin)行非金屬(shu)夾雜物觀察，之后用(yong)三氯化鐵(tie)鹽(yan)酸水溶液對其浸蝕，在金相顯(xian)微鏡下對試(shi)樣進(jin)(jin)行組織觀察（見圖(tu)2）。
圖2 金相試樣
（3）掃(sao)描電鏡分析
利(li)用(yong)液壓鉗將試樣沿裂(lie)紋撕開，采用(yong)日立S-3400熱場發射掃描電子顯微鏡對試樣開裂(lie)面(mian)進行掃描觀察，并利(li)用(yong)EDAX能(neng)譜(pu)儀進行能(neng)譜(pu)分析(xi)。
二、結果與(yu)討論
（1）化學成分分析
表1為(wei)不(bu)銹鋼(gang)管母(mu)材及焊縫(feng)處化(hua)學(xue)(xue)成分。由表1可知，該公司所采(cai)購(gou)的不(bu)銹鋼(gang)管化(hua)學(xue)(xue)成分與標準(zhun)(zhun)相比，母(mu)材和焊縫(feng)金屬的化(hua)學(xue)(xue)成分Cr含量(liang)偏低，其(qi)他元素(su)含量(liang)符合標準(zhun)(zhun)要求。Cr是不(bu)銹鋼(gang)中耐腐蝕的主要元素(su)，Cr含量(liang)偏低，會使不(bu)銹鋼(gang)的耐腐蝕性(xing)能下降。
表(biao)1 不銹鋼管材料的化學成分（質量分數） （%）
（2）金相(xiang)顯微分(fen)析(xi)
先對(dui)試(shi)樣進行(xing)機械(xie)拋光，未經浸(jin)蝕(shi)(shi)(shi)，在顯微鏡(jing)下(xia)觀察(cha)試(shi)樣的非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)分布情況(kuang)。通過觀察(cha)發現，非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)較少，但(dan)存(cun)在單顆粒大尺(chi)寸夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)，評級為(wei)Ds2（見圖3a）。非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的存(cun)在會破(po)壞基(ji)體(ti)的連續性(xing)，降低其力學性(xing)能(neng)，從而使基(ji)體(ti)更容易斷(duan)裂。非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)會使不銹(xiu)鋼基(ji)體(ti)表面生成的鈍(dun)化(hua)膜（氧(yang)化(hua)膜）變薄，造成非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)與基(ji)體(ti)結(jie)合的部位先受到腐蝕(shi)(shi)(shi)，然后界面處的局部腐蝕(shi)(shi)(shi)會向基(ji)體(ti)擴展(zhan)，從而造成點蝕(shi)(shi)(shi)。非(fei)金屬(shu)夾(jia)雜(za)(za)(za)物(wu)(wu)的存(cun)在也(ye)容易使晶(jing)界脆化(hua)導致(zhi)晶(jing)間腐蝕(shi)(shi)(shi)，致(zhi)使耐(nai)腐蝕(shi)(shi)(shi)性(xing)能(neng)下(xia)降。
圖3 試樣斷裂處腐蝕后顯微(wei)組織(zhi)
對拋光好的(de)(de)(de)試樣進(jin)行(xing)化(hua)學浸(jin)蝕(shi)，在金相顯(xian)微鏡下對其進(jin)行(xing)組(zu)織(zhi)觀察(cha)。圖(tu)3b所(suo)示為試樣的(de)(de)(de)母(mu)材顯(xian)微組(zu)織(zhi)照片(pian)，組(zu)織(zhi)為單相奧氏體(ti)（有(you)孿晶(jing)(jing)），晶(jing)(jing)界未見異常，金屬平均晶(jing)(jing)粒(li)度為7級。圖(tu)3c所(suo)示為熔合(he)區顯(xian)微組(zu)織(zhi)（左(zuo)側焊縫，右側熱(re)影響區），該(gai)區域組(zu)織(zhi)正常，熔合(he)完好，無(wu)裂紋、氣孔，無(wu)其他焊接缺陷。在裂紋附近(jin)（焊接熱(re)影響區）進(jin)行(xing)金相顯(xian)微組(zu)織(zhi)觀察(cha)，如圖(tu)3d所(suo)示。清晰可見沿(yan)晶(jing)(jing)界分布的(de)(de)(de)顯(xian)微裂紋，并存在網狀(zhuang)顆粒(li)Cr的(de)(de)(de)碳化(hua)物(wu)，從而形(xing)成貧鉻(ge)(ge)區，如圖(tu)4所(suo)示。當鉻(ge)(ge)含量(liang)（質量(liang)分數）>12%時(shi)，鈍化(hua)效果明顯(xian)，可顯(xian)著提高不(bu)銹鋼的(de)(de)(de)耐腐蝕(shi)性能，當鉻(ge)(ge)含量(liang)<12%時(shi)，鈍態受到破壞，電位下降，而晶(jing)(jing)內仍保持鈍化(hua)狀(zhuang)態，從而構成了(le)小陽(yang)極(ji)(ji)（晶(jing)(jing)界區的(de)(de)(de)貧鉻(ge)(ge)區）和(he)大陰極(ji)(ji)（基體(ti)）的(de)(de)(de)微電偶電池，加速了(le)晶(jing)(jing)界的(de)(de)(de)腐蝕(shi)。
Cr23C6碳化物析出的溫(wen)度為(wei)450～850℃，這是不銹鋼晶間腐(fu)蝕(shi)的敏化溫(wen)度范圍，也(ye)稱為(wei)危(wei)險溫(wen)度范圍。以上(shang)形貌特(te)征(zheng)表明，該區域在(zai)焊(han)后存在(zai)敏化現象，導致焊(han)縫(feng)熱(re)影(ying)響區出現晶間腐(fu)蝕(shi)，使不銹鋼熱(re)影(ying)響區耐(nai)晶間腐(fu)蝕(shi)性下(xia)降，這是引(yin)起(qi)不銹鋼管開裂的原因之一。
（3）斷口(kou)掃描觀察(cha)
將加工好(hao)的斷(duan)口(kou)試樣置(zhi)入(ru)掃描電鏡內(nei)，利(li)用(yong)二次電子成像(xiang)進(jin)行微觀觀察(cha)、分析。如圖4所示，可以發(fa)現斷(duan)口(kou)高(gao)低不平(ping)，存在(zai)許多腐蝕產物和裂(lie)紋，裂(lie)紋呈(cheng)樹枝狀分布，此類裂(lie)紋特征為(wei)二次裂(lie)紋，并且裂(lie)紋已經深(shen)入(ru)到材(cai)料基體內(nei)部。這些特征表明，該(gai)304不銹(xiu)鋼管(guan)的破壞為(wei)應力(li)腐蝕開(kai)裂(lie)。不銹(xiu)鋼的導熱(re)性能差(cha)，鋼管(guan)在(zai)焊后由于高(gao)溫產生殘余應力(li)，不銹(xiu)鋼管(guan)在(zai)受到腐蝕后產生的腐蝕微裂(lie)紋，在(zai)殘余應力(li)作用(yong)下，擴展速率加快，形成應力(li)腐蝕開(kai)裂(lie)。
圖4 掃描電鏡斷口形貌觀(guan)察
（4）能譜分析
利用(yong)(yong)能(neng)譜(pu)儀(yi)分(fen)析(xi)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)斷口表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)產(chan)物，圖5為能(neng)譜(pu)分(fen)析(xi)結果。從衍射(she)峰(feng)譜(pu)圖上可以直觀地看出，氯含(han)(han)量(liang)很高(gao)，說明該(gai)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)處(chu)于(yu)含(han)(han)氯的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)環境(jing)(jing)中。該(gai)化(hua)(hua)肥廠(chang)開裂失效(xiao)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)置于(yu)露天環境(jing)(jing)，廠(chang)址地處(chu)沿海地帶，距海岸僅1.1km，屬于(yu)典型的(de)(de)海洋大氣環境(jing)(jing)。在(zai)溫(wen)度濕度較高(gao)時，大量(liang)海水(shui)蒸發(fa)產(chan)生鹽霧(wu)現象，致使空氣中含(han)(han)有(you)較高(gao)的(de)(de)氯離子(zi)，含(han)(han)有(you)氯離子(zi)的(de)(de)水(shui)分(fen)吸附到不銹(xiu)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)的(de)(de)外壁，形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)性(xing)介質，對(dui)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)管(guan)(guan)不斷腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)(gang)在(zai)普通大氣環境(jing)(jing)中，表(biao)(biao)(biao)面會形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)致密的(de)(de)鈍化(hua)(hua)膜(mo)（氧化(hua)(hua)膜(mo)），此鈍化(hua)(hua)膜(mo)隔絕了大氣與不銹(xiu)鋼(gang)(gang)表(biao)(biao)(biao)面直接(jie)接(jie)觸，對(dui)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)具(ju)有(you)保(bao)護作用(yong)(yong)，使其具(ju)有(you)優良的(de)(de)耐腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)性(xing)能(neng)。即使鈍化(hua)(hua)膜(mo)被破壞，也會及時再生、修復。而氯離子(zi)極容(rong)易破壞奧氏(shi)體不銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)(de)鈍化(hua)(hua)膜(mo)，在(zai)表(biao)(biao)(biao)面形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)或蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑，加速(su)不銹(xiu)鋼(gang)(gang)的(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)。
三、結束語
本(ben)案例的不銹(xiu)(xiu)鋼腐蝕(shi)開(kai)裂不能將原(yuan)因(yin)簡單地歸于某一方面，而是在多種(zhong)因(yin)素共同作用下，使不銹(xiu)(xiu)鋼管產生開(kai)裂。
（1）非(fei)金(jin)屬(shu)夾雜物(wu)會破壞(huai)金(jin)屬(shu)表面(mian)鈍化膜的完(wan)整性，使不銹鋼的耐腐蝕性能降低(di)，因此(ci)應嚴格(ge)控制非(fei)金(jin)屬(shu)夾雜物(wu)等級在1.5級以下。
（2）母材(cai)及焊(han)(han)縫金(jin)屬(shu)中(zhong)Cr含量偏低，貧Cr使不銹鋼表面鉻的鈍化膜致密(mi)性降(jiang)低。因此，應提高鋼管及焊(han)(han)材(cai)質量要求，對入(ru)廠成(cheng)分(fen)進行嚴格檢測，確保焊(han)(han)縫金(jin)屬(shu)成(cheng)分(fen)不弱于(yu)母材(cai)。在焊(han)(han)接過程(cheng)中(zhong)應嚴格控制焊(han)(han)接參數(shu)，盡量采用(yong)小焊(han)(han)接熱輸入(ru)量，防止發生(sheng)敏化而導致Cr沿晶界析出生(sheng)成(cheng)Cr23C6，避免不銹鋼產生(sheng)晶間腐(fu)蝕。
（3）化(hua)肥(fei)廠(chang)處(chu)于海洋大氣環(huan)境，空(kong)(kong)氣中的(de)(de)(de)氯離(li)子(zi)含量較高，并有適宜的(de)(de)(de)加速(su)腐(fu)(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)溫度(du)和濕度(du)，導(dao)致不銹鋼(gang)表面的(de)(de)(de)氧化(hua)膜易被破(po)壞(huai)，從(cong)而(er)使不銹鋼(gang)表面產(chan)生(sheng)電化(hua)學(xue)腐(fu)(fu)蝕(shi)，腐(fu)(fu)蝕(shi)微裂紋在(zai)殘(can)余應(ying)力的(de)(de)(de)作(zuo)用下加速(su)擴展，引起(qi)應(ying)力腐(fu)(fu)蝕(shi)開(kai)裂。因此，應(ying)嚴控現場空(kong)(kong)氣環(huan)境，將鹽霧環(huan)境進行(xing)隔(ge)離(li)（如涂裝或加保護層(ceng)），防止(zhi)氯離(li)子(zi)的(de)(de)(de)破(po)壞(huai)作(zuo)用。