304不銹鋼彎頭開裂原因分析

潘恒沛，王剛，郭海霞，張欣耀，3

1.洛陽船舶材料研究所 河南洛陽 471023

2.洛陽雙瑞萬基鈦業(yè)有限公司 河南洛陽 471023

3.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室 河南洛陽 471023

1 序言

某管道不銹鋼彎頭在使用過程中發(fā)生了開裂，管道內主要成分為甲醇，作用為吸收煤氣中的H2S、CO2等氣體，在使用一段時間后彎頭上產生了一條較長的裂紋，甲醇泄漏。為查明泄漏原因，筆者對彎頭裂紋產生原因進行了分析。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

宏觀觀察，未發(fā)現(xiàn)彎頭外表面有明顯的腐蝕特征，彎頭裂紋較窄，長度約80mm，裂紋方向與管道軸向呈45°夾角，裂紋附近未發(fā)現(xiàn)明顯的機械損傷和變形特征。彎頭裂紋形貌如圖1所示，箭頭指向為裂紋位置。

圖1 彎頭裂紋形貌

2.2 化學成分分析

取彎頭試樣進行化學成分分析，結果見表1。彎頭材質符合G B/T 1220—2007對304不銹鋼的（06Cr19Ni10）化學成分要求。

表1 304不銹鋼彎頭化學成分（質量分數）（%）

2.3 力學性能檢測

取彎頭試樣進行力學性能檢測，結果見表2。彎頭力學性能符合GB/T 14976—2012對304不銹鋼（06Cr19Ni10）拉伸性能的要求。

表2 力學性能分析結果

2.4 掃描電鏡分析

將斷口打開后置于掃描電鏡下進行觀察，裂紋斷口整體較平整，裂紋起裂于彎頭管道內表面，由內表面向外表面擴展。裂紋擴展區(qū)主要呈現(xiàn)沿晶+準解理特征，整個斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征，形貌如圖2、圖3所示。將斷口清洗后進行能譜分析，斷口表面S、Cl元素含量較高，能譜分析如圖4所示。能譜分析結果見表3。

圖2 裂紋源區(qū)低倍形貌

圖3 裂紋擴展區(qū)形貌

圖4 斷口能譜分析

表3 能譜分析結果 （%）

2.5 金相分析

對裂紋截面拋光態(tài)進行觀察，在斷裂面上發(fā)現(xiàn)有二次裂紋，斷裂面附近未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物及其他缺陷。裂紋截面形貌如圖5所示，箭頭指示面為裂紋斷裂面。

圖5 裂紋截面形貌（100×）

浸蝕后觀察，彎頭金相組織為孿晶奧氏體+δ-鐵素體，奧氏體晶粒內分布有大量滑移線，金相組織如圖6所示。

圖6 金相組織（400×）

3 分析與討論

通過符合性檢驗可知，彎頭的化學成分及力學性能符合相關標準要求，裂紋附近也未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷及機械損傷痕跡，彎頭的材質正常。彎頭的外表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕，裂紋較窄，附近也未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形特征；裂紋斷口整體較平整，未觀察到剪切唇等明顯的塑性變形痕跡，整個斷口呈現(xiàn)脆性斷裂特征，主要為沿晶+準解理的混合斷口。對裂紋截面進行觀察，斷裂面上發(fā)現(xiàn)有二次裂紋，上述斷裂特征符合應力腐蝕開裂斷口形態(tài)[1]；能譜分析表明彎頭工作過程中應接觸了含S、Cl元素腐蝕介質；金相組織為孿晶奧氏體+δ-鐵素體，奧氏體晶粒內分布有大量滑移線，表明彎頭經過變形后未經過適當的熱處理，彎頭存在明顯的加工硬化現(xiàn)象，自身存在較大應力[2]。

應力腐蝕開裂是導致金屬構件失效的最常見的原因之一，是金屬構件在拉應力和特定腐蝕介質共同作用下而發(fā)生的脆性斷裂現(xiàn)象[3]。金屬構件發(fā)生應力腐蝕開裂需要同時滿足敏感的材料、拉應力和特定介質[4]等三個基本條件。已知彎頭工作接觸腐蝕性介質，斷口也存在易引起腐蝕的S、Cl等元素；彎頭經變形加工后未進行有效的熱處理，不可避免地存在較大的殘余拉應力；彎頭材質304奧氏體不銹鋼對含S、Cl的腐蝕性介質具有應力腐蝕敏感性。

綜上所述，彎頭失效模式為應力腐蝕開裂失效。

4 結束語

彎頭失效模式為應力腐蝕開裂失效，裂紋由內壁向外壁擴展，貫穿壁厚。彎頭的力學性能、化學成分符合相關技術指標要求，彎頭自身存在較大的拉應力及含S、Cl元素的腐蝕環(huán)境是應力腐蝕開裂產生的原因。建議彎頭成形后進行適當的去應力處理。