304不銹鋼管裂紋性質(zhì)及原因分析

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過對工程試樣進(jìn)行理化分析，研究奧氏體不銹鋼壓縮空氣管母材裂紋性質(zhì)及其產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明，管材外表面母材局部區(qū)域存在嚴(yán)重的晶間腐蝕；裂紋起裂于晶間腐蝕區(qū)域，且沿晶開裂，斷口形貌為脆性沿晶斷口，據(jù)此判斷裂紋是由晶間腐蝕導(dǎo)致。焊接熱循環(huán)使得管材局部區(qū)域產(chǎn)生敏化處理，管材未進(jìn)行固溶處理，管材運行環(huán)境中存在氯離子等腐蝕性元素，以及管材鉻、鎳和碳含量不符合奧氏體不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)要求是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要原因。

一、項目背景

  以鉻、鎳為主要合金元素的奧氏體不銹鋼是不銹鋼中生產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的一種耐酸鋼，約占不銹鋼總產(chǎn)量的70%，其基本型是Cr18Ni8~10。奧氏體不銹鋼的最大問題是局部腐蝕，包括晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕破裂。局部腐蝕嚴(yán)重影響設(shè)備的穩(wěn)定運行，對設(shè)備安全性造成很大的隱患。某LNG電站機組投產(chǎn)至本次停機，共運行近5萬小時。其壓縮空氣管材質(zhì)為304不銹鋼管，規(guī)格為70×10mm。其結(jié)構(gòu)為兩根直管，中間由一段90°彎頭連接，如圖所示。運行中發(fā)生泄漏，停機檢查發(fā)現(xiàn)管道彎頭處存在多處裂紋，裂紋均位于距離焊縫10mm左右的彎頭側(cè)母材區(qū)域。

二、理化試驗

 1. 化學(xué)成分分析

  對304不銹鋼彎頭母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表。結(jié)果顯示，母材成分鉻和鎳含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

 2. 金相觀察

  對試樣焊縫和熔合線金相觀察，焊縫金相組織為枝狀奧氏體，組織正常，如圖所示。對試樣腐蝕前進(jìn)行金相觀察，外壁存在晶間腐蝕，部分晶粒脫落，內(nèi)壁觀察無晶間腐蝕現(xiàn)象，試樣熔合線金相組織如圖所示。腐蝕后進(jìn)行金相觀察，母材處均存在大量的李晶位錯，試樣內(nèi)壁無晶間腐蝕圖所示。對裂紋尖端進(jìn)行觀察，裂紋沿晶開裂。

  3. 斷口分析

對2#試樣斷口分析，如圖所示。斷口呈冰糖狀，裂紋為脆性。

  4. 能譜分析

  對試樣試裂紋進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖。裂紋析出物主要為鉻、鎳的氯化物和硫化物。

三、裂紋性質(zhì)分析

  通過試驗分析和304不銹鋼管工作環(huán)境分析，該裂紋屬于晶間腐蝕導(dǎo)致的沿晶開裂裂紋。

  管子外壁局部存在嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象晶間腐蝕是指在某些腐蝕介質(zhì)中，晶粒間可能先行被腐蝕，使晶粒之間喪失結(jié)合力的局部破壞現(xiàn)象。在對晶間腐蝕材料作斷面金相檢查時，可發(fā)現(xiàn)晶界或毗鄰區(qū)域發(fā)生局部腐蝕，甚至晶粒脫落，腐蝕沿晶界發(fā)展推進(jìn)較為均勻。

  至德鋼業(yè)對本試樣進(jìn)行金相觀察發(fā)現(xiàn)，該壓縮空氣管外表面局部存在嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象，且部分晶粒脫落，而內(nèi)表面無晶間腐蝕現(xiàn)象。裂紋斷面金相顯示，裂紋主要沿晶界擴(kuò)展，由外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展。斷口掃描電鏡觀察，斷口呈冰糖狀，為脆性沿晶斷口。

  裂紋不具有應(yīng)力腐蝕裂紋的特征金屬材料在應(yīng)力（拉應(yīng)力）和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，經(jīng)過一定時間后出現(xiàn)低于材料強度極限的脆性開裂現(xiàn)象，致使金屬材料失效，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂。

  該壓縮空氣管暴露于空氣中運行，空氣中含有氯離子等腐蝕性元素，具備應(yīng)力腐蝕開裂的腐蝕介質(zhì)條件；但從裂紋形貌上看，并未發(fā)現(xiàn)裂紋分叉形貌，且從管橫截面看，除貫穿型裂紋外，304不銹鋼彎頭表面上幾乎均有腐蝕深度接近的裂紋。這些特征，均不是應(yīng)力腐蝕裂紋的特征，因此該裂紋不是應(yīng)力腐蝕裂紋。

四、裂紋原因分析

  1. 304不銹鋼彎頭母材化學(xué)元素含量偏差導(dǎo)致晶間腐蝕情況

   不銹鋼在弱氧化性介質(zhì)中發(fā)生的晶間腐蝕，可以用貧鉻理論同解釋。碳在奧氏體中的飽和溶解度小于0.02%，一般不銹鋼的含碳量都高于這個數(shù)值。當(dāng)不銹鋼從高溫冷卻下來時，碳處于過飽和。受到敏化處理時，碳和鉻形成碳化物在晶界析出。由于碳化鉻含鉻量很高，而鉻在奧氏體中擴(kuò)散速率很低，這樣就在晶界兩側(cè)形成了貧鉻區(qū)，其含鉻量低于12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），因而鈍化性能與晶粒不同，即晶界區(qū)和晶粒本體有了明顯差異。

   通過對試樣化學(xué)元素分析，該彎頭試樣母材的鉻、鎳含量均低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，而碳含量高于標(biāo)準(zhǔn)要求值。

  18-8型奧氏體不銹鋼在鉻、鎳含量分別為18%和9%時，有利于得到單相奧氏體組織及提高鋼的電極電位，二者的含量對不銹鋼的耐蝕性有很大影響。碳對不銹鋼的耐蝕性有重要影響，當(dāng)不銹鋼中的含碳量增高時，則以碳化物的形式析出，一方面增加鋼中微電池的數(shù)目，同時也減少基體中的含鉻量，使其電極電位降低，從而加劇鋼的腐蝕。如果鉻碳化物沿晶界析出，將使晶界附近基體中的含鉻量減少，電極電位降低，從而導(dǎo)致晶間腐蝕。因此奧氏體不銹鋼中含碳量應(yīng)小于0.1%。

  2. 焊接導(dǎo)致奧氏體不銹鋼局部發(fā)生敏化處理

  實踐表明，不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的熱處理以后發(fā)生的，這種熱處理造成了不銹鋼晶粒和晶界的顯著差異，從而產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。當(dāng)不銹鋼在弱氧化性介質(zhì)中使用時就會發(fā)生晶間腐蝕。使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理即敏化熱處理，奧氏體不銹鋼的敏化熱處理溫度范圍為450～850℃。

  當(dāng)奧氏體不銹鋼在這個溫度范圍較長時間加熱（如焊接）或緩慢冷卻，就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。含碳量較高的奧氏體不銹鋼受到敏化處理時，應(yīng)進(jìn)行固溶處理，即在1050~1100℃加熱，使碳化鉻溶解，迅速淬冷，通過敏化加熱溫度區(qū)，不使碳化鉻再析出，以消除晶界貧鉻區(qū)。

  奧氏體不銹鋼在進(jìn)行氣焊或電弧焊等工藝時，焊接接頭附近（450～850℃區(qū)域）易發(fā)生晶間腐蝕。該試樣裂紋均產(chǎn)生于焊縫附近，且該焊縫存在補焊區(qū)域，多次焊接熱循環(huán)導(dǎo)致接頭附近溫度達(dá)到敏化熱處理溫度；且在金相組織觀察下，彎頭母材存在大量的攣晶組織，說明該彎頭在出廠時并未進(jìn)行固溶處理，從而導(dǎo)致焊接接頭附近的母材局部發(fā)生敏化處理。

五、總結(jié)

  1. 該奧氏體不銹鋼裂紋性質(zhì)為晶間腐蝕導(dǎo)致的開裂。彎頭母材外表面局部區(qū)域可以觀察到嚴(yán)重的晶間腐蝕，裂紋起裂于晶間腐蝕區(qū)域，且沿晶開裂，斷口形貌呈冰糖狀，均符合晶間腐蝕開裂的特征。

   2. 空氣中存在氯離子等腐蝕性離子，管材鉻、鎳含量偏低，碳含量偏高，使得304不銹鋼管的耐蝕性降低；304不銹鋼彎頭出廠時未進(jìn)行固溶處理，導(dǎo)致焊接接頭附近的母材局部發(fā)生敏化處理，促進(jìn)了晶間腐蝕的產(chǎn)生。

   3. 焊接熱循環(huán)導(dǎo)致不銹鋼局部發(fā)生敏化處理，且304不銹鋼彎頭管材在出廠時未進(jìn)行固溶處理，鉻以碳化物形式在晶界處析出，導(dǎo)致晶界貧鉻，使彎頭側(cè)焊縫附近的母材產(chǎn)生晶間腐蝕，進(jìn)而形成宏觀裂紋。