燃機電廠304不銹鋼三通管應(yīng)力腐蝕開裂的原因

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(國網(wǎng)浙江省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

某燃機電廠天然氣輸送管道的一只304不銹鋼三通管發(fā)生開裂并泄漏，導(dǎo)致機組非正常停機，給公司造成了不小的損失。為杜絕此類事故的再次發(fā)生，保證機組的安全穩(wěn)定運行，本工作對開裂的304不銹鋼三通管進行了研究，以期找出產(chǎn)生裂紋的原因，并給出相應(yīng)的預(yù)防及改善措施。

1　理化檢驗

1.1　宏觀形貌分析

泄漏三通管的內(nèi)徑約為74 mm，壁厚為8 mm，其中部有一條長度約為8 cm的裂紋，裂紋周圍區(qū)域的管體并無明顯異常，見圖1。利用線切割對三通管樣品進行了加工，獲取了主要的開裂部分以觀察其內(nèi)表面形貌。由圖2可見:裂紋已經(jīng)在壁厚方向上穿透了整個三通管的壁面。裂紋的部分邊緣區(qū)域呈現(xiàn)出棕黃色的銹蝕痕跡。經(jīng)測量，內(nèi)表面上的裂紋長度約為9 cm，略大于外表面上的裂紋長度。

圖1　三通管外表面的宏觀形貌Fig. 1　External surface macroscopic morphology of the three-way pipe

同時，采用ZEISS Stemi 2000-C型體視顯微鏡對三通管的斷口進行了宏觀檢查，典型的斷口宏觀形貌如圖3所示。斷口整體并不十分平整，略有起伏，塑性變形很小。在斷口的內(nèi)表面?zhèn)?圖3中的左側(cè))存在不少棕黃色的銹蝕區(qū)域，不同銹蝕區(qū)域的銹蝕程度略有不同。而在其外表面?zhèn)?圖3中的右側(cè))則不存在類似區(qū)域，這與內(nèi)側(cè)的形貌形成了鮮明對比。

圖2　三通管內(nèi)表面的宏觀形貌Fig. 2　Internal surface macroscopic morphology of the three-way pipe

(a)　斷口

(b)　銹蝕區(qū)域圖3　三通管斷口的宏觀形貌Fig. 3　Fracture morphology of the three-way pipe:(a)fracture; (b)corroded area

1.2　化學(xué)成分分析

三通管樣品的化學(xué)成分復(fù)核工作在SPECTRO TEST型直讀光譜儀上完成，結(jié)果列于表1中。參考GB/T 12271-2008及GB/T 222-2005對06Cr19Ni10不銹鋼(即304不銹鋼)的成分要求，三

表1　三通管的化學(xué)成分Tab. 1　Chemical composition of the three-way pipe　%

通管中的鉻和鎳的含量略低于標準值，但仍然位于成品鋼化學(xué)成分允許偏差之內(nèi)，而其他元素完全符合標準。因此，可以認為三通管的化學(xué)成分符合304不銹鋼的要求，廠家提供的材質(zhì)信息正確。

1.3　力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T 228.1-2010，從三通管上取樣在萬能試驗機上進行了室溫拉伸試驗，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，三通管的抗拉強度、規(guī)定非比例延伸強度以及斷后伸長率均符合GB/T 12271-2008中對06Cr19Ni10不銹鋼(即304不銹鋼)的要求，力學(xué)性能合格。

表2　三通管的力學(xué)性能Tab. 2　Mechanical properties of the three-way pipe

1.4　金相分析

利用ZEISS Axiovert 200型光學(xué)顯微鏡觀察了三通管裂紋及其附近區(qū)域的金相組織，如圖4所示。三通管的金相組織為奧氏體，晶粒呈長條形，組織中未見明顯的老化或晶間腐蝕的跡象。裂紋在擴展時并非沿著單一方向，而是不斷分叉形成了許多支裂紋。這說明裂紋在擴展時，在某一方向的擴展速率較快，而在其他方向的擴展速率較慢。

1.5　掃描電子顯微鏡及X射線能譜分析

將斷口樣品經(jīng)超聲清洗后,采用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口微觀形貌見圖5。從圖中可以看出，在斷口靠近內(nèi)表面一側(cè)的銹蝕區(qū)域內(nèi)存在為數(shù)眾多且面積較大的泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物以及一些微小的腐蝕坑。在眾多的泥狀花樣區(qū)域中選取了一處進行了X射線能譜(EDS)分析，分析區(qū)域及分析結(jié)果如圖6及表3所示。結(jié)果顯示，泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物中有氯離子及硫離子的存在，且氧元素的質(zhì)量分數(shù)高達30.98%，證明泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物是以鐵的氧化物為主。

(a)　裂紋起始處

(b)　分叉狀裂紋圖4　三通管的光學(xué)顯微組織Fig. 4　Optical microstructures of the three-way pipe:(a) origin of the crack; (b) biforked crack

(a)　邊緣的泥狀花樣

(b)　中部的泥狀花樣圖5　三通管的SEM微觀形貌Fig. 5　SEM microstructure of the three-way pipe:(a) mud patterns at the edge;(b) mud patterns at the center

(a)　分析區(qū)域

(b)　分析結(jié)果圖6　EDS分析結(jié)果Fig. 6　Analysis results of EDS: (a) analysis area;(b) analysis result

wCwOwSwClwFe6.3830.980.531.0261.09

2　分析與討論

2.1　失效原因分析

本次出現(xiàn)裂紋的304不銹鋼三通管是天然氣輸氣管道的一個部件，平時常溫運行，運行溫度較低，受力較小，因此可以排除過熱裂紋或熱疲勞裂紋的可能性。從上述試驗結(jié)果來看，在三通管內(nèi)側(cè)存在為數(shù)不少的腐蝕區(qū)域并且內(nèi)壁上的裂紋長度大于外壁的，這表明裂紋是在管壁內(nèi)側(cè)的腐蝕區(qū)域形成并逐漸向管壁外側(cè)擴展直至穿透整個壁面的。此外，光學(xué)顯微鏡觀察到裂紋呈現(xiàn)分叉狀，SEM在斷口發(fā)現(xiàn)了數(shù)量眾多并且面積較大的泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物，EDS分析證實泥狀花樣腐蝕產(chǎn)物內(nèi)包含質(zhì)量分數(shù)高達1.02%的氯離子。上述三點使得三通管的裂紋同時具備了應(yīng)力腐蝕開裂的三大特征。因此綜合來看，可以判定本次事故是304不銹鋼三通管應(yīng)力腐蝕開裂而引起的。

應(yīng)力腐蝕開裂是一種成因較為復(fù)雜的失效形式，必須同時具備材料、應(yīng)力以及環(huán)境三個因素才能發(fā)生，缺一不可。發(fā)生泄漏的三通管材質(zhì)為304不銹鋼,該種材料因具備較好的抗腐蝕性能和加工性能得到了大規(guī)模的運用，但304不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性較高，對其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的報道已不在少數(shù)[1-2]。三通管與天然氣管道的連接形式為焊接加工，而焊接接頭由于受熱不均勻，冷卻后會在內(nèi)部形成殘余應(yīng)力，其中一些區(qū)域肯定會承受拉應(yīng)力，這為應(yīng)力腐蝕開裂埋下了較大的隱患。除了焊接殘余應(yīng)力，金光熙等[3]研究發(fā)現(xiàn):304不銹鋼中的部分奧氏體組織會在冷加工過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，引起組織不均勻的體積變化從而在材料內(nèi)部形成很大的殘余應(yīng)力。這些馬氏體組織還會在裂紋擴展過程中選擇性溶解，成為裂紋擴展的活性通道[4]，因此危害很大。作為鍛件的三通管當然也面臨著這種風險。該三通管是天然氣輸送管道的一部分，工作時處于一個相對封閉的獨立環(huán)境中，按理應(yīng)不易形成含量較高的氯離子的腐蝕環(huán)境。但天然氣均不可避免地含有一定量的氯[5]，當天然氣中的氯在管內(nèi)壁表面的液膜不斷累積就會慢慢形成一個氯離子含量較大的腐蝕環(huán)境。氯離子首先會破壞金屬表面致密的Cr2O3鈍化膜而形成點蝕，隨后在拉應(yīng)力的作用下，以點蝕坑為裂紋源形成開裂[6]。周宅忠[7]的研究表明,304不銹鋼易于在50～150 ℃且氯離子質(zhì)量分數(shù)為0.05%～1.00%的條件下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，這與EDS分析結(jié)果中氯含量以及三通管所處的實際工況較為吻合。

2.2　預(yù)防及改善建議

應(yīng)力腐蝕開裂的形成需要材料、應(yīng)力及環(huán)境三方面因素共同作用，預(yù)防及改善措施也應(yīng)從這三個方面著手。首先，可將氯脆傾向較大的304不銹鋼替換為不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的低合金鋼。其次，在三通管焊接過后應(yīng)對其進行退火處理以降低內(nèi)部的殘余應(yīng)力，特別是拉應(yīng)力。以往的試驗數(shù)據(jù)表明，對304不銹鋼進行700 ℃以上的熱處理后，內(nèi)應(yīng)力就能顯著下降，應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性也會大大降低[1]。最后，需嚴控輸氣管道的工作環(huán)境，重點監(jiān)測管路中是否有積水現(xiàn)象，防止高含量氯離子環(huán)境的形成。

3　結(jié)論

(1) 本次燃機電廠304不銹鋼三通管的裂紋是在拉應(yīng)力及氯離子的聯(lián)合作用下因應(yīng)力腐蝕開裂形成的。該裂紋同時具備了分叉狀裂紋、泥狀花樣、氯離子含量較高三大特征。

(2) 應(yīng)通過更換材料，對焊接接頭去應(yīng)力退火，嚴控工作環(huán)境等措施可降低管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的風險。

參考文獻：

[1]沈保羅,李旭初. 奧氏體不銹鋼產(chǎn)生氯脆的影響因素及對策[J]. 化工腐蝕與防護,1996,2:17-22.

[2]許萬劍,楊春麗,趙宏祝,等. 304不銹鋼焊管應(yīng)力腐蝕開裂原因[J]. 腐蝕與防護,2014,35(5):511-513.

[3]金光熙,樸美善. 304不銹鋼封頭應(yīng)力腐蝕開裂失效分析[J]. 熱加工工藝,2011,40(23):226-228.

[4]方智,吳蔭順,曹備,等. 奧氏體304不銹鋼在活化態(tài)下的應(yīng)力腐蝕與馬氏體相變[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報,1994,14(4):277-281.

[5]侯晉,竇懷智,張曉冬,等. 離子色譜法測定進口天然氣中的氟和氯[J]. 化工時刊,2014,28(12):18-20.

[6]李巖,方可偉,劉飛華. Cl-對304L不銹鋼從點蝕到應(yīng)力腐蝕轉(zhuǎn)變行為的影響[J]. 腐蝕與防護,2012,33(11):955-959.

[7]周宅忠. 奧氏體不銹鋼在高濃度氯化物溶液中的應(yīng)力腐蝕斷裂[J]. 儀表材料,1990,21(3):170-178.