案例分享：不銹鋼管腐蝕開裂分析
2021-06-29 02:11:58
hualin
由于具有優(yōu)良的耐蝕性，304不銹鋼被廣泛地用于要求良好綜合性能（耐蝕性和成形性）的設(shè)備和機件，在化工設(shè)備、壓力容器等行業(yè)應(yīng)用廣泛。某化肥廠硫酸管，用于硫酸泵出口（0.82MPa）與反應(yīng)器之間連接，該泵流量14m3/h，揚程63m，硫酸濃度為93.5%，使用溫度為常溫。該管道于2016年更換，在使用兩年后，在泵進出口排放管及壓力表接口高頸法蘭焊接處出現(xiàn)滲液現(xiàn)象。對管壁進行清洗、滲透檢測并發(fā)現(xiàn)裂紋（見圖1）。查閱原始資料，該鋼管材質(zhì)為304不銹鋼，管徑為DN50，壁厚3.5mm，在焊接后進行滲透檢測，結(jié)果合格。將該鋼管切割取樣，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，滲液處位于焊縫區(qū)域并發(fā)現(xiàn)裂紋。
圖1 硫酸管開裂位置及開裂形貌
為查明不銹鋼管腐蝕開裂失效的原因，避免再次發(fā)生危險，本文擬對失效鋼管件進行化學(xué)成分、金相顯微及掃描電鏡分析，從而得出失效原因，并提出預(yù)防措施。
一、試驗方法
（1）化學(xué)成分分析
采用ARL-4460直讀光譜儀分別對不銹鋼管的母材及焊縫的化學(xué)成分進行檢測，確定化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
（2）金相顯微分析
從滲液處（見圖1c）截取試樣，試樣包括母材、焊縫和熱影響區(qū)，對試樣進行預(yù)磨、粗磨、精磨和拋光，使用OLYMPUS-GX51金相顯微鏡對試樣進行非金屬夾雜物觀察，之后用三氯化鐵鹽酸水溶液對其浸蝕，在金相顯微鏡下對試樣進行組織觀察（見圖2）。
圖2 金相試樣
（3）掃描電鏡分析
利用液壓鉗將試樣沿裂紋撕開，采用日立S-3400熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對試樣開裂面進行掃描觀察，并利用EDAX能譜儀進行能譜分析。
二、結(jié)果與討論
（1）化學(xué)成分分析
表1為不銹鋼管母材及焊縫處化學(xué)成分。由表1可知，該公司所采購的不銹鋼管化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)相比，母材和焊縫金屬的化學(xué)成分Cr含量偏低，其他元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。Cr是不銹鋼中耐腐蝕的主要元素，Cr含量偏低，會使不銹鋼的耐腐蝕性能下降。
表1 不銹鋼管材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）
（2）金相顯微分析
先對試樣進行機械拋光，未經(jīng)浸蝕，在顯微鏡下觀察試樣的非金屬夾雜物分布情況。通過觀察發(fā)現(xiàn)，非金屬夾雜物較少，但存在單顆粒大尺寸夾雜物，評級為Ds2（見圖3a）。非金屬夾雜物的存在會破壞基體的連續(xù)性，降低其力學(xué)性能，從而使基體更容易斷裂。非金屬夾雜物會使不銹鋼基體表面生成的鈍化膜（氧化膜）變薄，造成非金屬夾雜物與基體結(jié)合的部位先受到腐蝕，然后界面處的局部腐蝕會向基體擴展，從而造成點蝕。非金屬夾雜物的存在也容易使晶界脆化導(dǎo)致晶間腐蝕，致使耐腐蝕性能下降。
圖3 試樣斷裂處腐蝕后顯微組織
對拋光好的試樣進行化學(xué)浸蝕，在金相顯微鏡下對其進行組織觀察。圖3b所示為試樣的母材顯微組織照片，組織為單相奧氏體（有孿晶），晶界未見異常，金屬平均晶粒度為7級。圖3c所示為熔合區(qū)顯微組織（左側(cè)焊縫，右側(cè)熱影響區(qū)），該區(qū)域組織正常，熔合完好，無裂紋、氣孔，無其他焊接缺陷。在裂紋附近（焊接熱影響區(qū)）進行金相顯微組織觀察，如圖3d所示。清晰可見沿晶界分布的顯微裂紋，并存在網(wǎng)狀顆粒Cr的碳化物，從而形成貧鉻區(qū)，如圖4所示。當(dāng)鉻含量（質(zhì)量分數(shù)）>12%時，鈍化效果明顯，可顯著提高不銹鋼的耐腐蝕性能，當(dāng)鉻含量<12%時，鈍態(tài)受到破壞，電位下降，而晶內(nèi)仍保持鈍化狀態(tài)，從而構(gòu)成了小陽極（晶界區(qū)的貧鉻區(qū)）和大陰極（基體）的微電偶電池，加速了晶界的腐蝕。
Cr23C6碳化物析出的溫度為450～850℃，這是不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度范圍，也稱為危險溫度范圍。以上形貌特征表明，該區(qū)域在焊后存在敏化現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)晶間腐蝕，使不銹鋼熱影響區(qū)耐晶間腐蝕性下降，這是引起不銹鋼管開裂的原因之一。
（3）斷口掃描觀察
將加工好的斷口試樣置入掃描電鏡內(nèi)，利用二次電子成像進行微觀觀察、分析。如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)斷口高低不平，存在許多腐蝕產(chǎn)物和裂紋，裂紋呈樹枝狀分布，此類裂紋特征為二次裂紋，并且裂紋已經(jīng)深入到材料基體內(nèi)部。這些特征表明，該304不銹鋼管的破壞為應(yīng)力腐蝕開裂。不銹鋼的導(dǎo)熱性能差，鋼管在焊后由于高溫產(chǎn)生殘余應(yīng)力，不銹鋼管在受到腐蝕后產(chǎn)生的腐蝕微裂紋，在殘余應(yīng)力作用下，擴展速率加快，形成應(yīng)力腐蝕開裂。
圖4 掃描電鏡斷口形貌觀察
（4）能譜分析
利用能譜儀分析不銹鋼管斷口表面的腐蝕產(chǎn)物，圖5為能譜分析結(jié)果。從衍射峰譜圖上可以直觀地看出，氯含量很高，說明該不銹鋼管處于含氯的腐蝕環(huán)境中。該化肥廠開裂失效鋼管置于露天環(huán)境，廠址地處沿海地帶，距海岸僅1.1km，屬于典型的海洋大氣環(huán)境。在溫度濕度較高時，大量海水蒸發(fā)產(chǎn)生鹽霧現(xiàn)象，致使空氣中含有較高的氯離子，含有氯離子的水分吸附到不銹鋼管的外壁，形成腐蝕性介質(zhì)，對不銹鋼管不斷腐蝕。奧氏體不銹鋼在普通大氣環(huán)境中，表面會形成致密的鈍化膜（氧化膜），此鈍化膜隔絕了大氣與不銹鋼表面直接接觸，對不銹鋼具有保護作用，使其具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。即使鈍化膜被破壞，也會及時再生、修復(fù)。而氯離子極容易破壞奧氏體不銹鋼的鈍化膜，在表面形成點蝕或蝕坑，加速不銹鋼的腐蝕。
三、結(jié)束語
本案例的不銹鋼腐蝕開裂不能將原因簡單地歸于某一方面，而是在多種因素共同作用下，使不銹鋼管產(chǎn)生開裂。
（1）非金屬夾雜物會破壞金屬表面鈍化膜的完整性，使不銹鋼的耐腐蝕性能降低，因此應(yīng)嚴格控制非金屬夾雜物等級在1.5級以下。
（2）母材及焊縫金屬中Cr含量偏低，貧Cr使不銹鋼表面鉻的鈍化膜致密性降低。因此，應(yīng)提高鋼管及焊材質(zhì)量要求，對入廠成分進行嚴格檢測，確保焊縫金屬成分不弱于母材。在焊接過程中應(yīng)嚴格控制焊接參數(shù)，盡量采用小焊接熱輸入量，防止發(fā)生敏化而導(dǎo)致Cr沿晶界析出生成Cr23C6，避免不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕。
（3）化肥廠處于海洋大氣環(huán)境，空氣中的氯離子含量較高，并有適宜的加速腐蝕的溫度和濕度，導(dǎo)致不銹鋼表面的氧化膜易被破壞，從而使不銹鋼表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，腐蝕微裂紋在殘余應(yīng)力的作用下加速擴展，引起應(yīng)力腐蝕開裂。因此，應(yīng)嚴控現(xiàn)場空氣環(huán)境，將鹽霧環(huán)境進行隔離（如涂裝或加保護層），防止氯離子的破壞作用。