304無縫不銹鋼管漏氣原因分析

涂建國,徐鵬飛,王 鑫,張智寰,劉 丹,莫玉華,朱文慧

(深圳市八六三新材料技術(shù)有限責(zé)任公司,廣東 深圳 518117)

1 情況簡介

304無縫不銹鋼管具有耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)韌性高與成型性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于石油、化工、儀表儀器元件和醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。某管件公司提供了直管原材料和管件成品,并提供了該管工況條件:材質(zhì)為304無縫不銹鋼,厚度1.2 mm,維氏硬度≤220 HV,用途主要是排水和燃?xì)夤艿烙?。直管工藝?板材經(jīng)過無縫焊接(管內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù),外部氬氣保護(hù))后進(jìn)行固溶處理(2 s達(dá)到1050 ℃,保溫3 min后,經(jīng)6 m管,風(fēng)冷3 min至100～150 ℃,水冷至常溫),最后成為成品。管件工藝為:板材經(jīng)過無縫焊接(管內(nèi)氮?dú)獗Ｗo(hù),外部氬氣保護(hù))后機(jī)械成型(沖壓成形),再固溶處理(90 min從低溫升至高溫1050 ℃),風(fēng)冷30 min至冷卻,最后成為成品。該批管件在進(jìn)行氣密性測試(試驗(yàn)壓力為1.0 MPa,試驗(yàn)介質(zhì)為壓縮空氣) 時(shí)發(fā)現(xiàn)非焊接部位出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。為了找出漏氣原因,對(duì)不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢驗(yàn)

304無縫不銹鋼直管和管件如圖1(a)、1(b)所示。采用體式顯微鏡觀察304不銹鋼直管外壁和內(nèi)部表面?？梢钥闯?內(nèi)壁表面存在嚴(yán)重的裂紋,見圖1(c);外壁表面有孔洞,見圖1(d)。

(a)直管; (b)管件成品;(c)直管內(nèi)壁;(d)直管外壁

2.2 金相觀察

對(duì)304不銹鋼直管和管件成品取樣進(jìn)行金相磨制,采用徠卡Leica DMLM光學(xué)金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。浸蝕前直管試樣中有嚴(yán)重裂透的裂紋,見圖2(a);浸蝕后直管試樣的組織為奧氏體,同時(shí)發(fā)現(xiàn)有銅偏析,見圖2(b);浸蝕前管件成品內(nèi)外壁均有沿晶腐蝕,內(nèi)外壁腐蝕深度分別為94.9 μm和101.6 μm,見圖2(c);浸蝕后發(fā)現(xiàn)晶粒有混晶現(xiàn)象,晶粒度大小約從2.0級(jí)到6.0級(jí),見圖2(d)。

(a)腐蝕前直管截面;(b)腐蝕后直管顯微組織;(c)腐蝕前管件成品截面;(d)腐蝕后管件成品顯微組織

2.3 缺陷微觀觀察及微區(qū)成分分析

304不銹鋼直管和管件成品經(jīng)超聲波清洗后,采用JSM-6460LV掃描電子顯微鏡觀察試樣內(nèi)壁和外壁表面形貌。不銹鋼直管和管件成品的外壁均發(fā)現(xiàn)裂紋,見圖3(a)、3(b);內(nèi)壁均有沿晶裂紋,見圖3(c)、3(d)。同時(shí)對(duì)直管銅偏析物和裂紋處進(jìn)行成分分析,直管外壁銅偏析物成分為銅和錫;裂紋處除不銹鋼元素外,還含有銅、錫、氧、鋁、氯、硅、鈣元素,見圖3(e)和3(f)。

(a)直管外壁SEM;(b)管件成品外壁SEM;(c)直管內(nèi)壁SEM;(d)管件成品內(nèi)壁SEM;(e)直管銅偏析物EDS;(f)直管裂紋處EDS

2.4 化學(xué)成分分析

采用賽默飛世爾ARL3460直讀光譜儀對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。其結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12771—2019流體輸送用不銹鋼焊接鋼管中S30408的技術(shù)指標(biāo)要求。

表1 304不銹鋼管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

2.5 顯微硬度檢測

采用美國標(biāo)樂BUEHLER 5103顯微硬度計(jì)對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行維氏硬度檢測,結(jié)果見表2。其結(jié)果符合技術(shù)規(guī)格要求≤220 HV。

表2 維氏硬度測試結(jié)果(HV)

3 結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分分析

對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行化學(xué)成分分析,由表1可知,其結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12771—2019流體輸送用不銹鋼焊接鋼管[1]中S30408的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 顯微硬度分析

對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行維氏硬度檢測,由表2可知,不銹鋼直管和管件成品的顯微硬度接近,均符合技術(shù)規(guī)格要求。

3.3 微觀特征分析

對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行金相觀察,由圖2可知,不銹鋼直管表面有嚴(yán)重裂透的裂紋;漏氣區(qū)域有嚴(yán)重的沿晶裂紋和銅偏析,裂紋從外壁向內(nèi)延伸,已經(jīng)裂透整個(gè)管壁。管件成品內(nèi)、外壁均有網(wǎng)狀沿晶微裂紋,裂紋深度分別約為94.9 μm和101.6 μm;同時(shí)管件成品有混晶現(xiàn)象,粗大晶粒約占42%。粗大晶粒及銅偏析的存在會(huì)降低晶界結(jié)合力,在冷加工易出現(xiàn)開裂[3-6]。

3.4 裂紋特征及微區(qū)成分分析

對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行微觀形貌和成分分析,由圖3可知,不銹鋼直管和管件成品外表面存在較多缺陷,內(nèi)壁均有網(wǎng)狀沿晶微裂紋,說明原材料存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。由于材料晶粒粗大,使得材料強(qiáng)度降低,氣密性試驗(yàn)時(shí)容易出現(xiàn)漏氣。對(duì)不銹鋼直管外壁銅偏析處及管件成品網(wǎng)狀沿晶微裂紋進(jìn)行DES分析,由圖3(e)、3(f)可知,直管外壁銅偏析物成分為銅和錫元素;裂紋內(nèi)除不銹鋼元素外,還含有銅、錫、氧、鋁、氯、硅、鈣元素。在酸洗過程中,銅和錫元素的存在會(huì)出現(xiàn)電位差,使得局部產(chǎn)生電化學(xué)加速腐蝕,導(dǎo)致直管失效[7-9]。

4 漏氣原因總結(jié)

通過對(duì)304不銹鋼直管和管件成品進(jìn)行化學(xué)成分分析、金相檢測、顯微硬度檢測及微觀觀察,漏氣主要是因?yàn)椴讳P鋼直管存在銅偏析,在酸洗過程中,存在電位差,使得局部產(chǎn)生電化學(xué)加速腐蝕,導(dǎo)致不銹鋼直管失效。同時(shí)由于存在嚴(yán)重的網(wǎng)狀沿晶腐蝕裂紋,使得板材的有效尺寸減少,導(dǎo)致擴(kuò)管變形時(shí),在表面缺陷處產(chǎn)生裂紋,從而發(fā)生漏氣現(xiàn)象。

5 改進(jìn)措施及效果

針對(duì)304不銹鋼管漏氣的原因,提出以下改進(jìn)措施:1)更改加工工藝,在保證材料化學(xué)成分及性能的前提下,嚴(yán)格控制材料晶粒尺寸及原材表面質(zhì)量,制定企業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);2)在材料制備過程中控制碳和鎳含量,減少晶界雜質(zhì)和缺陷。

按照上述措施對(duì)304不銹鋼管件加工工藝進(jìn)行改進(jìn)后,未發(fā)生漏氣現(xiàn)象。