不銹鋼氮?dú)夤芰鸭y原因分析

謝一麟，熊立斌，孟若愚

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇無(wú)錫，214174）

引言

奧氏體不銹鋼因?yàn)槟臀g性能良好而在化工上應(yīng)用廣泛，但在特定條件下有局部腐蝕[1-5][12]的問(wèn)題，包括晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕等。材質(zhì)組分問(wèn)題和加工熱影響造成的敏化，容易增加奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向[6-7]。化工設(shè)備用奧氏體不銹鋼及其焊接接頭通常會(huì)采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，常用的試驗(yàn)方法有GB/T4334、ISO 3651和ASTM A262。但許多企業(yè)在設(shè)備安裝的奧氏體不銹鋼管道，其材料質(zhì)控和焊接質(zhì)量控制上往往忽視必要的晶間腐蝕試驗(yàn)。目前，王榮濱、張述林、羅宏等人對(duì)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機(jī)理及預(yù)防控制方面的均有深入的研究[1-4]，應(yīng)力腐蝕開裂的相關(guān)研究論文和案例也較多，但晶間腐蝕的腐蝕具體案例與晶間腐蝕試驗(yàn)方法驗(yàn)證相結(jié)合的論文不多。本文管道裂紋原因的分析，可為今后相似奧氏體不銹鋼材料裂紋問(wèn)題的分析提供借鑒，也為化工設(shè)備管道和各種附件的制造加工過(guò)程中加強(qiáng)材質(zhì)耐腐蝕性能驗(yàn)收和焊接工藝評(píng)定的優(yōu)化提供應(yīng)用參考。

1 基本情況

某化工車間氮?dú)饪偣懿馁|(zhì)為06Cr19Ni10，管道與法蘭連接采用90°彎頭焊接連接，彎頭后直管豎直靠地有支撐。管道投用3年后出現(xiàn)環(huán)向裂紋，兩條裂紋出現(xiàn)在距焊縫10mm內(nèi)的黃褐色環(huán)帶內(nèi)直管上，其中一條裂紋末端距焊縫約2mm。裂紋較細(xì)較曲折，整體平行于焊縫，兩條裂紋末端幾乎交匯，兩條主裂紋周圍又有數(shù)條微裂紋，見圖1左。

圖1 開裂位置與裂紋形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 斷口分析

打開裂紋，可見斷面高低不平，無(wú)塑性變形痕跡，宏觀上呈現(xiàn)脆性斷裂特征，裂紋總長(zhǎng)度約1/4圓周。原始斷面上，管外壁呈黃褐色，內(nèi)壁斷面呈淺灰色，打開裂紋時(shí)產(chǎn)生的新斷口呈現(xiàn)銀灰色（見圖1右），說(shuō)明裂紋起源于管外壁。

在SEM下觀察斷口，斷面整體呈沿晶斷裂特征，靠近管子外壁斷面上分布著二次裂紋（圖2左）。人為打開裂紋產(chǎn)生的新斷面呈現(xiàn)韌性斷裂特征（圖2右）。對(duì)斷口黃褐色區(qū)進(jìn)行三次微區(qū)成分分析，發(fā)現(xiàn)有0.53%～0.63%的硫含量（重量百分比）圖3。

圖2 斷口SEM形貌

圖3 斷口微區(qū)成分分析

2.2 金相分析

在斷口附近和遠(yuǎn)離斷口的母材上分別取樣進(jìn)行金相觀察，其金相組織均為奧氏體伴有孿晶，晶粒度在3.0至4.0之間，斷口附近的晶界較遠(yuǎn)離焊縫熱影響區(qū)的母材晶界明顯變粗。（見圖4、圖5）。焊縫附近的熱影響區(qū)內(nèi)，部分區(qū)域的晶界在同等腐蝕條件下腐蝕較嚴(yán)重，在管子外表面還有較深腐蝕坑，部分晶界明顯弱化，有晶間腐蝕特征，見圖6、圖7。

圖4 斷口附近金相組織

圖5 管子母材金相組織

圖6 焊縫熱影響區(qū)的微觀組織

圖7 焊縫附近微觀組織

2.3 材料成分分析

直管段取樣進(jìn)行元素分析（GB/T20123-2006及SN/T2718-2010），化學(xué)成分含量見下表，其元素Cr含量和C含量不符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T14976-2012標(biāo)準(zhǔn)中06Cr19Ni10要求。

表1 管子的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

2.4 晶間腐蝕試驗(yàn)

采用GB/T4334-2008 A法對(duì)焊縫熱影響區(qū)材料(HAZ)和遠(yuǎn)離焊縫的母材(BM)在同等條件下進(jìn)行草酸電解浸蝕試驗(yàn)，結(jié)果表明，兩者腐蝕結(jié)果均為三類溝狀組織，在金相顯微鏡下可以看出晶粒完全被腐蝕溝包圍，熱影響區(qū)試樣的晶界腐蝕溝相對(duì)更嚴(yán)重，見圖8。說(shuō)明兩者均有明顯的晶間腐蝕傾向，熱影響區(qū)腐蝕傾向更嚴(yán)重，表明焊接熱量對(duì)材質(zhì)劣化的有影響。

圖8 晶間溝狀組織（草酸浸蝕）

3 分析與討論

經(jīng)過(guò)各項(xiàng)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下情況：

（1）環(huán)向裂紋靠近焊縫，裂紋斷口分析表明，裂紋起源于管外壁，斷面整體呈沿晶斷裂特征，管子外壁斷面上有二次裂紋。

（2）金相分析表明，該管材晶粒較粗大，斷口附近（近焊縫）奧氏體晶界變粗。

（3）晶間腐蝕試驗(yàn)表明，管材有晶間腐蝕傾向，而熱影響區(qū)的晶間腐蝕傾向更顯著。

（4）母材成分與標(biāo)準(zhǔn)限值相比，C含量較高，而Cr含量較低。

（5）斷口微區(qū)成分分析發(fā)現(xiàn)，斷口表面有較高的S含量。

分析可能是母材成分偏差和晶粒粗大，使母材具有一定的晶間腐蝕傾向[1-3]。焊接熱影響敏化區(qū)，由于碳化鉻的析出而造成晶界貧鉻，增加材料的晶間腐蝕傾向[7-8]，材料成分的偏差（C高、Cr低）使這種敏化效果更加明顯[9-11]。該氮?dú)饪偣馨惭b在化工車間，具有一定濃度的硫化物氛圍，容易引起焊縫敏化區(qū)的晶間腐蝕，斷口微區(qū)能譜分析證實(shí)環(huán)境中硫化物的存在。

4 結(jié)論與建議

綜合檢測(cè)與分析結(jié)果，本管道發(fā)生在環(huán)焊縫直管側(cè)熱影響區(qū)的裂紋是敏化區(qū)的晶間腐蝕裂紋。氮?dú)饪偣芡獗砻婷艋瘏^(qū)，由于材質(zhì)和焊接熱影響敏化[13-15]的原因，有明顯的晶間腐蝕傾向，在車間一定濃度的硫化物氛圍作用下，發(fā)生晶間腐蝕開裂。建議：

⑴加強(qiáng)原材料質(zhì)量檢驗(yàn)，選用耐晶間腐蝕的管材。

⑵優(yōu)化焊接工藝，優(yōu)化控制焊接的層間溫度、焊接電流等參數(shù)，把晶間腐蝕試驗(yàn)作為焊接工藝評(píng)定的控制項(xiàng)目，控制焊接熱影響對(duì)管材的敏化。