0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管破裂的原因

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000)

某公司輸氣管項(xiàng)目使用奧氏體不銹鋼管，牌號(hào)為0Cr18Ni9,型號(hào)為DN350，壁厚為5 mm，鋼管采用焊接方式連接，焊接工藝為手工電弧焊工藝。該奧氏體不銹鋼管內(nèi)輸送介質(zhì)為含硫化氫等腐蝕介質(zhì)的富氨液，管內(nèi)介質(zhì)壓力0.5 MPa，溫度35～45 ℃，運(yùn)行半年后停產(chǎn)半年，復(fù)產(chǎn)時(shí)即在鋼管焊接接頭附近發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。為確定裂紋的形成原因，本工作在該奧氏體不銹鋼管裂紋附近切取1件試樣，對(duì)其裂紋形成原因進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

開裂奧氏體不銹鋼管形貌貌見圖1～2。由圖1～2可見:焊接熱影響區(qū)寬度達(dá)20 mm，裂紋均產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)內(nèi)。

1.1 低倍檢驗(yàn)

(a) 外表面

(b) 內(nèi)表面圖1 開裂奧氏體不銹鋼管的形貌Fig. 1 Cracking morphology of austenitic stainless steel pipe line: (a) outside surface; (b) inside surface

圖2 開裂奧氏體不銹鋼管的裂紋放大圖Fig. 2 Cracking morphology for enlarged view of austenitic stainless steel pipe line

在奧氏體不銹鋼管裂紋附近切取1件縱截面低倍試樣，觀察鋼管的裂紋擴(kuò)展深度情況及鋼管的低倍組織。試樣采用50%(體積分?jǐn)?shù)，下同)鹽酸水溶液侵蝕后，其縱低倍組織形貌見圖3。由圖3可見：裂紋是從內(nèi)表面向外表面逐漸擴(kuò)展的，除熱影響區(qū)附近的裂紋外，未見其他不允許的冶金缺陷。

圖3 奧氏體不銹鋼管的縱低倍組織形貌Fig. 3 Longitudinal macro-structure of austenitic stainless steel pipeline

由圖4可見：鋼管主裂紋基本呈橫向，枝裂紋沿主裂紋兩側(cè)，呈網(wǎng)狀裂紋擴(kuò)展。

1.2 化學(xué)成分

奧氏體不銹鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

圖4 奧氏體不銹鋼管內(nèi)表面的裂紋形貌Fig. 4 Crack morphology in inside surface of austenitic stainless steel pipeline

項(xiàng)目wCwSiwMnwPwSwNiwCr實(shí)測值0.0660.421.090.0330.000 58.0218.22GB/T 1220-2007≤0.08≤1.0≤2.0≤0.045≤0.038.00～11.0018.00～20.00

由表1可見,各元素含量均符合GB/T 1220-2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 宏觀斷口形貌

將裂紋掰開后，裂紋斷口宏觀形貌見圖5。由圖5可見:斷面上有一層黑灰色的腐蝕產(chǎn)物，但依稀可見斷口是呈結(jié)晶狀的脆性斷口。

圖5 宏觀斷口形貌Fig. 5 Macro morphology of the fracture

1.4 金相檢驗(yàn)

在低倍試樣裂紋處切取高倍試樣，磨制其縱向面，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，裂紋微觀形貌見圖6。裂紋呈網(wǎng)狀裂紋，經(jīng)王水溶液腐蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，裂紋為沿晶裂紋，見圖7。鋼管焊縫處顯微組織為奧氏體+δ鐵素體，熔合線處顯微組織為奧氏體，鋼管基體顯微組織為奧氏體，見圖8。鋼管基體晶粒度為4.5級(jí)，熱影響區(qū)晶粒度也為4.5級(jí)。

圖6 裂紋的微觀形態(tài)Fig. 6 Crack′s microstructure

1.5 掃描電鏡分析結(jié)果

將奧氏體不銹鋼管裂紋掰開后，采用掃描電鏡觀察斷口表面清洗前后的形貌，裂紋斷口表面形貌，見圖9。由圖9可見:整個(gè)斷面均為冰糖狀沿晶斷口。腐蝕產(chǎn)物微區(qū)成分能譜見圖10，以S、Fe、O等元素為主。

圖7 裂紋與組織Fig. 7 Crack and micro-structure

2 分析與討論

該奧氏體不銹鋼管在焊接熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并且焊接熱影響區(qū)較寬。通常情況下，若焊接過程中產(chǎn)生裂紋，多為焊接結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的焊接熱裂紋，或焊后一段時(shí)間產(chǎn)生的焊接冷裂紋[1-5]。而奧氏體不銹鋼管開工使用半年后未見裂紋，停工半年后復(fù)工時(shí)立即發(fā)現(xiàn)裂紋，這表明裂紋并非焊接裂紋。

(a) 焊縫 (b) 熱影響區(qū) (c) 鋼管基體圖8 鋼管焊縫，熔合線和基體組織Fig. 8 Microstructure of pipeline in weld (a), HAZ (b) and matrix (c)

(a) 清洗前

(b) 清洗后圖9 裂紋斷口清洗前后的表面形貌Fig. 9 Surface morphology of fracture before (a) and after (b) cleanning

圖10 腐蝕產(chǎn)物微區(qū)成分能譜Fig. 10 EDS pattern of corrosion products

由裂紋宏觀形貌可見，裂紋有主干，有分支，主干裂紋為橫向裂紋，裂紋產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)附近，此處在焊接接頭收縮應(yīng)力下，必然存在軸向的焊接拉伸殘余應(yīng)力；從裂紋斷口宏觀和微觀形貌來看，裂紋斷口面上存在腐蝕產(chǎn)物。這表明，該奧氏體不銹鋼管既受軸向拉伸殘余焊接應(yīng)力，又受腐蝕作用，因此該奧氏體不銹鋼管裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋[1-2,6]。

由裂紋斷面腐蝕產(chǎn)物成分可見，腐蝕產(chǎn)物主要含S、Fe、O等元素；從裂紋斷面微觀形貌可見，裂紋斷口為冰糖狀的沿晶斷口。這表明，該奧氏體不銹鋼管應(yīng)力腐蝕破裂可能為硫化物應(yīng)力腐蝕破裂[7]或者連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂，不是含Cl-的應(yīng)力腐蝕破裂。而奧氏體組織對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕破裂最不敏感[8-9]，該鋼管組織全為奧氏體，對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕最不敏感，產(chǎn)生硫化物應(yīng)力腐蝕破裂的可能性最小，因此，該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管破裂應(yīng)為連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。

產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂需要介質(zhì)因素、材料因素和應(yīng)力因素綜合作用，缺一不可[1，10-12]。

(1) 介質(zhì)因素 即鋼管內(nèi)壁存在連多硫酸或連多硫酸鹽[H2SxO6(x=2～5)],連多硫酸一般是由空氣中的O2、水和金屬硫化物發(fā)生反應(yīng)而生成的。反應(yīng)過程見式(1)～(5)：

(1)

(2)

H2SO3+O2H2SO4

(3)

(4)

(5)

式中:m、n為不定系數(shù)，x=2～5[6,11]。

從該奧氏體不銹鋼管破裂的情況來看，鋼管內(nèi)介質(zhì)含硫化氫，在使用過程中硫化氫和管壁的Fe發(fā)生反應(yīng)生成FeS，鋼管在停工半年期間，鋼管必通風(fēng)，空氣中的O2和水進(jìn)入管內(nèi)，必然和管壁內(nèi)的FeS發(fā)生反應(yīng)生成連多硫酸。因此，該奧氏體不銹鋼管破裂具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)因素。

(2) 材料因素 據(jù)有關(guān)資料介紹，常規(guī)碳含量的奧氏體不銹鋼在敏化溫度(430～815 ℃)區(qū)間停留，會(huì)對(duì)應(yīng)力腐蝕破裂敏感。該破裂鋼管材質(zhì)為常規(guī)碳鋼，裂紋位置位于焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，熱影響區(qū)必然經(jīng)過敏化溫度區(qū)間的短暫停留，即具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的材料因素。

(3) 應(yīng)力因素 鋼管壁厚5 mm，但焊接熱影響區(qū)寬度則高達(dá)近20 mm，盡管裂紋不是焊接裂紋，但是，焊接熱影響區(qū)較寬，焊接后由于焊接接頭的收縮，熱影響區(qū)部位必然存在較大的殘余軸拉伸應(yīng)力作用。因此，該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的應(yīng)力因素。

綜上所述，該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管同時(shí)具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)因素、材質(zhì)因素和應(yīng)力因素，這就進(jìn)一步證實(shí)，該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管破裂為連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。

因該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管需焊接，應(yīng)力因素不可避免，但降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，即可降低鋼管焊接后的殘余焊接應(yīng)力，從而可降低鋼管連多硫酸應(yīng)力腐蝕的可能性。另一方面從介質(zhì)因素改進(jìn)，該奧氏體鋼管在使用過程中，不可避免會(huì)在內(nèi)壁產(chǎn)生FeS，在停工時(shí)，應(yīng)用氬氣吹掃管內(nèi)的空氣和水分，并立即密封鋼管的兩端口，避免管內(nèi)存在空氣和水分，即可避免連多硫酸的產(chǎn)生，因此可避免連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。事故責(zé)任方根據(jù)本工作提供的預(yù)防措施，鋼管停工時(shí)，用氬氣吹掃管內(nèi)的空氣和水分，并立即密封鋼管的兩端口，未再出現(xiàn)裂紋事故。

3 結(jié)論

(1) 該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管裂紋為連多硫酸應(yīng)力腐蝕裂紋。

(2) 向該0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼管內(nèi)吹掃氬氣，密封兩端口，可避免連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。焊接時(shí)降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，也可降低連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的可能性。

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