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          304不銹鋼焊管

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          304不銹鋼焊管應力腐蝕開裂原因

          304不銹鋼焊管應力腐蝕開裂原因

          來源:大口徑非標厚壁焊接管 ? 發布:2020-06-07 23:00:12 ? 類別:不銹鋼焊管

          某公司不銹鋼焊管使用過程中出現大面積開裂泄露。采用宏觀檢驗、化學成分分析、金相檢驗、SEM、EDS能譜分析等方法,對該管道的開裂泄露進行失效分析。結果表明,該焊管的開裂主要為氯離子應力腐蝕開裂。焊管成型后未熱處理造成的殘余應力、管外面橡塑保溫材料釋放出的氯離子共同造成了該不銹鋼焊管的應力腐蝕開裂。

          某公司304不銹鋼焊管使用3a后即出現泄露。該不銹鋼焊接管壁厚2mm,外徑128mm,管與管采用氬弧焊對焊。管內通生活熱水,溫度60℃左右,管外用橡塑材料保溫。該管道通水三年后即出現大面積的裂紋,造成管道的早期泄露報廢,給公司造成不小的損失。為了找出不銹鋼管道出現裂紋的原因,避免以后新管道使用中早期失效,對該開裂的不銹鋼焊接管道進行失效分析。

          1理化檢驗

          1.1宏觀形貌分析

          對送樣管進行宏觀分析發現,管道外表面及焊縫周圍發現大量的網狀的裂紋,見圖1(a),內表面也可以看到沿裂紋分布著較多的紅色的腐蝕產物,見圖1(b)。根據內表面腐蝕產物分布可以發現內表面的裂紋比外表面的裂紋要少的多,初步可以說明裂紋的起源是在外表面,且很多是非貫穿裂紋。觀察管表面裂紋可以發現裂紋的分布并無明顯的規律,說明裂紋的出現與管道的焊接并無明顯關聯。

          1.2化學成分分析

          對不銹鋼焊管取樣,利用直讀光譜對焊管所用材料進行化學成分分析,其結果見表1。由表1可見,不銹鋼焊管成分基本符合GB/T12771-2008對06Cr19Ni10(即304)不銹鋼的成分要求。304奧氏體不銹鋼具有優良的耐蝕性能、加工性能和焊接性能,是目前奧氏體不銹鋼中使用最廣泛的不銹鋼種。隨著焊接工藝的不斷改進,不銹鋼焊接鋼管性能得到了明顯改善,并在越來越多的領域尤其是在換熱設備用管、裝飾管、中低壓流體管等應用方面代替了無縫鋼管。

          1.3力學性能分析

          不銹鋼焊管的力學性能檢測結果見表2。由表2可見,管道的抗拉強度和屈服強度高于GB/T12771-2008對06Cr19Ni10(即304)不銹鋼焊接管道的力學性能要求。斷后伸長率低于熱處理狀態06Cr19Ni10鋼的標準塑性指標要求,但滿足未熱處理焊管的塑性指標,經了解此焊管卷板焊接后未熱處理,存在加工殘余應力。殘余應力是應力腐蝕開裂的常見力學條件,因此管道的開裂可能與應力腐蝕有關。

          1.4金相檢驗

          對焊管裂紋處取樣進行裂紋分析如圖2所示。由圖可以發現裂紋源于管外表面沿徑向內表面延伸,呈閃電狀,分叉且有很多二次裂紋。該裂紋與應力腐蝕裂紋的特征非常相似,因此該裂紋可能為應力腐蝕裂紋。

          對焊管取樣進行金相組織分析見圖3。焊管組織為“孿晶奧氏體組織+少量條帶狀α相”,還可見彎板成管時形成的滑移線和變形流線。

          1.5晶間腐蝕試驗

          由于開裂管道上存在對接焊縫,且焊接質量較差,為了確定焊接對該管道焊縫及熱影響區晶間腐蝕敏感性的影響,依據國標GB/T4334-2008對焊縫取樣進行晶間腐蝕E法試驗。將焊接試樣在硫酸-硫酸銅溶液中進行16h的沸騰試驗,經180°彎曲后發現焊接試樣中并無明顯裂紋,表明焊接并沒有使管道產生晶界敏化,從而產生晶界腐蝕。對管道焊接周圍裂紋處取樣進行晶間腐蝕A法試驗,結果見圖4。由圖可以看出裂紋周圍晶界形態為混合組織,凹坑形態為淺凹坑,表明裂紋周圍也沒有明顯的晶界腐蝕傾向,管道的開裂與晶間腐蝕無關。

          1.6SEM、EDS分析

          對裂紋處取樣并分開,乙醇超聲清洗后進行SEM斷口觀察,結果見圖5。由圖可見裂紋斷口存在河流花樣、解理臺階等形貌,屬于典型的脆性斷口。圖中斷口上還可見滑移帶,且外表面斷口處也有滑移帶的出現,說明應力狀態下滑移帶的形成與管道裂紋的形核與擴展存在著內在聯系。斷口上二次裂紋交界處還可見泥狀花樣,這是應力腐蝕斷口典型的特征。

          對未清洗斷口上的腐蝕產物進行EDS能譜分析。結果表明,腐蝕產物中存在氯元素。氯元素在斷口上的分布以外表面裂紋源處最多。對管道內裂紋析出的腐蝕產物分析發現其主要為鐵和氯的氧化物,可能為應力腐蝕產生的裂紋在所通水中產生縫隙腐蝕而產生的腐蝕產物。

          2結果與討論

          耐蝕性是不銹鋼及不銹鋼制品區別于其他常用鋼種的首要性能,再輔以其優良的加工和焊接性能,成就了不銹鋼在防腐蝕設備、管道乃至裝飾結構件領域的主導地位。但在實際應用中,不銹鋼仍然可因腐蝕介質的侵蝕而產生腐蝕。晶間腐蝕、點蝕、應力腐蝕開裂等局部腐蝕是其主要的表現形式,其往往會造成嚴重的損失。

          應力腐蝕是不銹鋼局部腐蝕中最常見、危害也最大的一種腐蝕。應力腐蝕的產生與發展需要材料具有拉應力與特殊介質(活性陰離子,尤其是氯離子)這兩個基本條件。雖然不銹鋼焊管在很多場合已經取代無縫鋼管,但焊接管道是由鋼板彎管后焊接成型的,如果焊接后不熱處理就會造成很大的殘余應力。該管道正是焊接后未熱處理直接用于輸水管道,使用時也不可避免的存在殘余應力,其中外表面通常為拉應力,這也驗證了裂紋開口在外表面的原因。因加工制造而產生殘余應力是應力腐蝕中最常見的應力形式,占總案例的80%以上,因此可以推斷彎管成型的殘余應力是管道開裂最主要的力學因素。另外管道對焊時的焊接殘余應力及安裝過程中的應力也是重要的因素。

          管道裂紋源處腐蝕產物中檢測出了氯離子。含氯離子的介質在奧氏體不銹鋼應用中屬于敏感的介質,會破壞不銹鋼的鈍化膜,造成不銹鋼的點蝕,是應力腐蝕的常見觸發介質。經了解此焊管外面保溫材料是橡塑材料,橡塑材料會釋放出微量氯離子等鹵素離子(橡塑不合格時濃度甚至高于600mg/L),隨著環境雨水的滲透吸附于鋼管外表面。鋼管使用溫度為60℃,使得外表面的吸附水膜不斷烘干并濃縮,氯離子的濃度也隨之不斷升高并使酸性增加,最終促使鋼管產生應力腐蝕。因此保溫材料中的氯離子是不銹鋼焊管開裂的介質因素。一般來說應力腐蝕隨環境溫度的升高與含氧量的增加而加速,所以鋼管60℃的使用溫度與露天的富氧環境也是鋼管產生應力腐蝕開裂的環境因素。

          3結論與建議

          (1)該不銹鋼焊接管道開裂屬于氯離子觸發應力腐蝕開裂。焊管彎管焊接成型后未熱處理產生的殘余應力是該管道應力腐蝕的主要力學因素;橡塑保溫材料釋放出的氯離子經濃縮后的含氯酸化介質是應力腐蝕的主要介質因素。

          (2)建議焊管加工成型后熱處理去除殘余應力,并嚴格控制保溫材料中的氯離子?;蛘哌x用雙相不銹鋼、超純鐵素體不銹鋼等抗應力腐蝕不銹鋼材料。

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