金屬材料導管出現(xiàn)裂紋情況及方案分析

陳姣麗，吳國建

（航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441000）

在進行定檢工作時，發(fā)現(xiàn)金屬導管處有漏氣聲，進一步檢查發(fā)現(xiàn)導管中段有裂紋。該金屬導管組件由多根導管焊接組合而成，導管材料為金屬材料1Cr18Ni9Ti，規(guī)格Φ6mm×1mm。

問題導管見圖1，裂紋位于2號導管中部的U字型彎曲段，長約7mm，裂紋與導管軸向約成45°，位于U字型的外側，見圖2。裂紋距2號導管左側三通直線距離約80mm，距右側三通直線距離約119mm。開裂部位未見塑性變形，裂紋附近導管外表面也未見異常接觸痕跡。

圖1 故障導管組件（前視圖）

圖2 故障燃氣導管組件局部（俯視圖）

1 表面形貌、成分檢查和對比分析

1.1 裂紋附近內(nèi)表面

金屬材料于一定的腐蝕環(huán)境中，被應力作用，因著金屬本身微觀徑路在設限范圍內(nèi)產(chǎn)生腐蝕而呈現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象稱應力腐蝕裂紋。應力腐蝕裂紋的特征是金屬外表為脆性機械斷裂。裂紋只產(chǎn)生于金屬的部分區(qū)域，由內(nèi)向外發(fā)展，通常是與作用力保持垂直狀態(tài)。金屬材料應力腐蝕裂紋同簡單因應力導致的破壞不一樣，其腐蝕在極其微弱的應力條件下也可以產(chǎn)生；金屬材料應力腐蝕裂紋同單一因腐蝕造成的破壞也不一樣，其腐蝕性最為微弱的介質也可以導致腐蝕裂紋。

將裂紋附近導管縱向剖開，導管內(nèi)表面裂紋長約8mm、寬約半個圓周的導管內(nèi)表面顏色斑駁，大部分區(qū)域呈黃褐色，局部呈灰黑色，有明顯腐蝕特征和附著物。裂紋處也呈黃褐色，裂紋末端均有分叉。剖開的導管其余部分呈淺黃色。

在掃描電鏡下觀察2號導管內(nèi)表面，可見黃褐色區(qū)有明顯泥紋狀和塊狀附著物，灰褐色區(qū)域可見腐蝕孔洞，淺黃色區(qū)域也能見到一層膜狀附著物覆蓋在導管表面。

圖3 導管內(nèi)表面黃褐色區(qū)宏觀形貌

用能譜儀分析不同區(qū)域附著物成分，可見黃褐色區(qū)域除導管基體的Fe、Cr、Ni元素外，含有較高的O元素和Cl元素，淺黃色區(qū)域也有O元素和Cl元素，Cl元素含量略低于黃褐色區(qū)，能譜分析結果見表1。

導管內(nèi)表面裂紋兩側可見塊狀、膜狀附著物，且裂紋邊緣有腐蝕坑，分析結果如表1所示。

表1 導管內(nèi)表面能譜分析結果（wt%）

1.2 對比分析

在2號導管遠離裂紋部位及1號導管上分別剖開一段，檢查導管內(nèi)表面形貌，可見2號導管內(nèi)表面呈黃褐色，與裂紋附近顏色相似，而1號導管內(nèi)表面基本為銀灰色，二者明顯不同。

在掃描電鏡下觀察，2號導管內(nèi)表面可見膜狀附著物，局部有腐蝕坑，附著物成分與裂紋附近成分相似。

1號導管內(nèi)表面平整，未見異常腐蝕特征，能譜分析未見Cl元素，分析結果見表1。

2 裂紋斷口分析

將裂紋打開觀察斷口，整個斷口呈黃褐色，斷口較粗糙，有分層，沒有明顯放射線或疲勞弧線特征。從斷口上看，裂紋在導管內(nèi)表面的擴展略長于外表面，且越靠近內(nèi)表面，斷口顏色越深。

在掃描電鏡下觀察斷口形貌，大部分斷口表面可見附著物及泥紋花樣，靠近內(nèi)表面局部斷口有腐蝕特征，在靠近外表面的斷口局部可以見到撕裂棱線，裂紋擴展后期還有分層現(xiàn)象。

能譜分析表明表面附著物主要含O、Cl及Fe、Cr、Ni等元素。分析結果見表2。人為打開部位斷口為韌窩形貌。

表2 裂紋斷口不同部位的能譜分析結果

3 硬度檢查

在裂紋附近取樣測量導管基體的顯微硬度，平均值為181.6HV0.3，對照黑色金屬硬度強度換算表，換算強度約為613MPa，符合金屬材料管材抗拉強度≥550MPa的技術要求。

4 分析討論

4.1 裂紋性質

裂紋部位沒有宏觀塑性變形，從例圖的內(nèi)表面看，裂紋兩側有腐蝕特征，斷口上可見腐蝕特征和明顯腐蝕產(chǎn)物覆蓋，微觀上主要為撕裂棱線特征，且裂紋有較多分叉，上述特征表明該裂紋具有應力腐蝕的形貌特征[1]，裂紋性質為應力腐蝕開裂。導管內(nèi)表面裂紋略長于外表面，且越靠近內(nèi)表面腐蝕越嚴重，因此，該裂紋從內(nèi)表面起源。

金屬材料于一定的腐蝕環(huán)境中，被應力作用，因著金屬本身微觀徑路在設限范圍內(nèi)產(chǎn)生腐蝕而呈現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象稱應力腐蝕裂紋。應力腐蝕裂紋的特征是金屬外表為脆性機械斷裂。裂紋只產(chǎn)生于金屬的部分區(qū)域，由內(nèi)向外發(fā)展，通常是與作用力保持垂直狀態(tài)。金屬材料應力腐蝕裂紋同簡單因應力導致的破壞不一樣，其腐蝕在極其微弱的應力條件下也可以產(chǎn)生；金屬材料應力腐蝕裂紋同單一因腐蝕造成的破壞也不一樣，其腐蝕性最為微弱的介質也可以導致腐蝕裂紋。

4.2 開裂原因

應力腐蝕裂紋的形成必須具備以下三個條件：首先要求特殊的材料狀態(tài)，其次，還必須有一個拉應力，另外，還必須具備一定的腐蝕環(huán)境，其腐蝕介質的濃度不一定很高[1]。

2號導管內(nèi)表面顏色呈淺黃色或黃棕色，與正常導管的銀灰色有明顯差異。裂紋附近可見腐蝕特征及大量腐蝕產(chǎn)物附著，局部已經(jīng)形成腐蝕孔洞，同時裂紋兩側表面也有腐蝕現(xiàn)象和腐蝕產(chǎn)物附著，表明導管內(nèi)部、特別是裂紋附近存在腐蝕環(huán)境。能譜分析表明，導管內(nèi)表面以及裂紋斷口上的附著物除導管基體成分外，均主要含O、Cl等元素。金屬導管組件由5根直徑6mm的導管焊接而成，導管組件有5個接頭與其他導管或機構相連，2號導管位于組件中段，從結構上看，金屬導管組件不可避免存在安裝應力，此時，2號導管U型段就會受到扭轉或拉伸載荷的作用。本次問題導管斷裂處的內(nèi)部腐蝕較為嚴重，金屬管道的材質應力腐蝕開裂是以晶間腐蝕為先導的脆性斷裂。主要位置在形成點蝕的部位及裂縫處。開裂的行程過程是在應力的持續(xù)作用下使位錯產(chǎn)生滑移，形成新的臺階，Cl-的進入導致保護膜再一次被破壞和pH的降低，金屬再次溶解局部腐蝕逐漸加深，這樣往復循環(huán)導致應力腐蝕裂紋的行程和擴展，在此過程中只需要較少（數(shù)個ppm）的氯離子濃度就能引起奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂[2]。上文所述的問題導管裂紋處的腐蝕形貌及產(chǎn)物分析，完全滿足應力腐蝕的三要素。

問題導管組件在工作時內(nèi)部通高壓氣體，不工作時內(nèi)部為空氣。本次發(fā)生故障的導管并未使用過，定檢時內(nèi)部通氣體，因此，組裝后金屬導管沒有接觸腐蝕性介質的機會[3]。導管組件中2號導管腐蝕嚴重，但1號導管內(nèi)部顏色正常，能譜分析未發(fā)現(xiàn)Cl元素，說明腐蝕介質出現(xiàn)在導管組件焊接之前。查問題導管組件工藝過程，工藝流程為：領料、酸洗、焊接、鉗加工、檢驗[4]。

從問題導管的加工流程來看，導管焊接前需用濃度≥50%的鹽酸（HCl）溶液進行酸洗，除此以外，無任何接觸Cl元素的機會。結合裂紋部位能譜分析結果，分析認為，2號導管酸洗后清洗不及時或不徹底，造成內(nèi)表面腐蝕，甚至有少量鹽酸殘留在導管內(nèi)部，導管組件焊接后，內(nèi)部殘留的HCl在局部形成腐蝕環(huán)境，最終導致導管開裂[5]。綜上分析，問題導管組件應力腐蝕開裂的原因是2號導管酸洗后清洗不及時或不徹底，局部形成腐蝕環(huán)境，在長期拉應力的作用下導致導管開裂。

5 結論和建議

（1）問題導管裂紋性質為應力腐蝕裂紋，裂紋從導管內(nèi)表面起始。

（2）問題導管組件應力腐蝕開裂的原因是2號導管酸洗后清洗不及時或不徹底，局部形成腐蝕環(huán)境，在長期拉應力作用下導致導管開裂。

（3）建議加強對問題導管酸洗后的清洗或去掉酸洗工序，改用其他利于焊接的清洗方式。