城市熱網(wǎng)不銹鋼波紋管膨脹節(jié)失效分析

曾劍全

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

城市熱網(wǎng)不銹鋼波紋管膨脹節(jié)失效分析

曾劍全*

（上海市特種設備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院)

對某316L不銹鋼波紋管膨脹節(jié)的開裂原因進行了分析。該膨脹節(jié)在熱網(wǎng)蒸汽管線中服役了約4年。該管線運行壓力1.1 MPa，運行溫度230℃，管線介質(zhì)為過熱蒸汽。通過金相檢查、斷口分析等方法可知，該膨脹節(jié)的失效原因為堿性介質(zhì)聚集所引起的堿應力腐蝕開裂。

不銹鋼膨脹節(jié)波紋管失效分析腐蝕應力腐蝕開裂蒸汽管線

0 引言

某公司熱網(wǎng)管線在正常運行過程中發(fā)生管道波紋管膨脹節(jié)開裂失效事故，該管線運行壓力1.1 MPa，運行溫度230℃，管道內(nèi)流通介質(zhì)為過熱蒸汽。圖1為該熱網(wǎng)管線的局部外觀示意圖，圖2為從該管線中取下的已開裂失效的波紋管膨脹節(jié)。

在過去的四年時間內(nèi)，該公司曾進行了三次鍋爐的日常維護保養(yǎng)，其余時間內(nèi)管線總體運行平穩(wěn)。但在近兩年內(nèi)，該熱網(wǎng)管線中常有波紋管膨脹節(jié)發(fā)生開裂失效。本文通過實驗分析了該波紋管膨脹節(jié)失效開裂的主要原因，并對預防此類失效提出了防范措施。

1 裂紋宏觀檢查

經(jīng)該熱網(wǎng)管線現(xiàn)場巡檢人員反映，該失效膨脹節(jié)是在正常使用過程中發(fā)生破裂的，其使用時間為4年左右，工作溫度為230℃，工作壓力為1.1 MPa，流通介質(zhì)為過熱蒸汽，膨脹節(jié)材質(zhì)為316L不銹鋼。該膨脹節(jié)系國內(nèi)某知名波紋管生產(chǎn)廠制造，其產(chǎn)品合格證表明，該產(chǎn)品嚴格按照國家的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標準進行生產(chǎn)，并經(jīng)檢驗、測試合格后出廠。

現(xiàn)對該失效膨脹節(jié)進行取樣分析，研究導致其破壞的主要原因。如圖3所示，圍繞該膨脹節(jié)開裂位置的四周進行切割取樣。不難發(fā)現(xiàn)，在該膨脹節(jié)裂紋周圍殘留很多白色腐蝕產(chǎn)物。該腐蝕產(chǎn)物的研究分析有利于對膨脹節(jié)開裂失效的原因進行分析。本文將在后續(xù)部分對該腐蝕產(chǎn)物進行化學分析。

圖1 某熱網(wǎng)蒸汽管道

圖2 失效的波紋管膨脹節(jié)

圖3 取樣位置

2 化學成分分析

由資料審查可知，該膨脹節(jié)材料為316L奧氏體不銹鋼。對試樣取下一部分進行化學成分分析，并將其結(jié)果與ASTM標準中相應鋼號的化學成分進行對比，結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，該膨脹節(jié)的化學成分均符合ASTM標準要求。由此可見，在該波紋管膨脹節(jié)服役的過程中材質(zhì)未發(fā)生變化。

表1 膨脹節(jié)材料化學成分分析結(jié)果（%）

3 金相分析

對該膨脹節(jié)裂紋周圍的基體和裂紋處進行金相組織分析。試樣在鑲嵌、預磨、拋光后，用草酸溶液電解侵蝕，得到的金相組織如圖4、圖5所示。

圖4（a）～（e）為材料基體處的金相組織圖。由圖4可見，該材料屬于正常的奧氏體組織，晶粒度為11級，材料晶粒有明顯的方向性特征，這說明材料經(jīng)過冷拔加工。

圖4 材料基體處的金相組織

圖5為材料裂紋處的金相組織圖。由圖5可見，裂紋有明顯的沿晶擴展特征，并且裂紋是從內(nèi)側(cè)起裂向外側(cè)擴展的。

圖5 材料裂紋處的金相組織

由圖4～圖5的金相分析可以得到以下結(jié)論：（1）膨脹節(jié)材質(zhì)金相組織正常，未發(fā)生任何異常變化，因此可以排除高溫材質(zhì)劣化的可能性。

（2）裂紋從內(nèi)側(cè)開始起裂，逐步向外擴展，由此可以判斷此次開裂與波紋管膨脹節(jié)內(nèi)部介質(zhì)環(huán)境有關(guān)。

（3）裂紋呈蜘蛛網(wǎng)狀，且有明顯的沿晶擴展特征。

4 斷口分析

對該膨脹節(jié)的斷口再進行掃描電鏡分析（SEM分析）和能譜分析。圖6為其斷口的SEM形貌圖，可以看出該開裂具有明顯的沿晶擴展特征，且表面有明顯的腐蝕產(chǎn)物。

圖6 斷口的SEM形貌圖

對斷口上的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果如圖7所示，可以看出Na元素含量很高。

圖7 斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析圖和數(shù)據(jù)

5 綜合分析

綜合上述金相組織分析、斷口分析以及腐蝕產(chǎn)物能譜分析可知，該波紋管膨脹節(jié)失效原因是鈉離子聚集造成的不銹鋼材質(zhì)堿應力腐蝕開裂[1]。應力腐蝕開裂是指金屬在特定腐蝕介質(zhì)和固定拉應力同時作用下發(fā)生的脆性開裂。腐蝕和應力的作用是相互促進的，不是簡單的疊加。

奧氏體不銹鋼發(fā)生沿晶開裂共有3種可能：（1）沿晶應力腐蝕開裂；（2）高溫蠕變斷裂；（3）高溫過載斷裂。

本例中的膨脹節(jié)工作溫度為230℃，壓力為1.1 MPa，沒有達到高溫蠕變斷裂和高溫過載斷裂的條件，且從金相分析可以看出其材質(zhì)未發(fā)生任何劣化，所以可以斷定該膨脹節(jié)的失效為應力腐蝕開裂。再從能譜分析中可以看出，斷口上的白色腐蝕產(chǎn)物中Na離子含量很高，超出正常的范圍，由此可見，該316L不銹鋼波紋管膨脹節(jié)的開裂應該是NaOH引起的堿應力腐蝕開裂[2]。

敏感的材料、特定的介質(zhì)和一定的靜拉應力是發(fā)生應力腐蝕的三個必要條件。對于本失效案例，這三個必要條件都是具備的。首先，300系列的奧氏體不銹鋼對于本失效案例中所存在的高濃度堿性介質(zhì)聚集環(huán)境是敏感的，因此此時已具備兩個必要條件，即敏感的材料和特定的介質(zhì)。最后一個必要條件，即一定的靜拉應力也是存在的。從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，該膨脹節(jié)開裂的位置為波紋管的波峰位置，該位置毋庸置疑是該波紋管膨脹節(jié)中應力最為集中的部位，由此可見，一定的靜拉應力也是具備的。此時，這三個必要條件共同存在且共同作用，導致了該膨脹節(jié)發(fā)生應力腐蝕開裂。

6 結(jié)論

由上述試驗數(shù)據(jù)和分析可知，該不銹鋼波紋管膨脹節(jié)失效原因是鈉離子聚集所造成的不銹鋼材質(zhì)堿應力腐蝕開裂。為防止同類失效的再次發(fā)生，我們提出以下建議：

（1）正確安裝該種形式的波紋管膨脹節(jié)，避免蒸汽在該膨脹節(jié)的套筒內(nèi)大量聚集。在適當?shù)臒徇w移條件下，如反復蒸發(fā)和凝集，堿性物質(zhì)很容易在膨脹節(jié)內(nèi)部富集，為發(fā)生堿應力腐蝕創(chuàng)造介質(zhì)條件。因此，應避免此種情況發(fā)生。

（2）選擇其他具備良好的抗堿性應力腐蝕性能的材料，如鎳基合金。

（3）避免使用未經(jīng)過消除應力處理的波紋管膨脹節(jié)。

[1]HARALDSEN K.Stress corrosion cracking of stainless steels inhighpressurealkalineelectrolyses[C]// First International Conference on Hydrogen Safety.Pisa：2005.

[2]楊帆，孫智，馬景濤，等.供熱管道波紋管補償器的腐蝕失效[J].煤氣與熱力，2005，25(6)：13-16.

Failure Analysis of Stainless Bellows Expansion Joint in Civil Steam Pipe Network

Zeng Jianquan

The cracking of a bellows expansion joint made from 316L stainless steel was analyzed.The expansion joint cracked after serving in steam pipe network for 4 years.The operating pressure of the pipeline was 1.1 MPa,the operating temperature was 230℃,and the medium in the pipeline was superheated steam.Through the metallographic examination and fracture analysis,it was concluded that the caustic stress corrosion caused by the agglomeration of alkaline ions was responsible for the failure.

Stainless steel;Expansion joint;Bellows;Failure analysis;Corrosion;Stress corrosion cracking; Steam pipeline

TQ 053.6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.02.016

2017-01-05）

*曾劍全，男，1958年生，助理工程師。上海市，200062。