某公司輸氣管道項目中304不銹鋼管破裂的原因分析

 某公司輸氣管項目使用的304不銹鋼管，采用焊接方式連接，焊接工藝為手工電弧焊，304不銹鋼管內(nèi)輸送介質(zhì)為含硫化氫等腐蝕介質(zhì)的富氨液，管內(nèi)介質(zhì)壓力0.5MPa，介質(zhì)溫度35～45℃，運行半年后停產(chǎn)半年，復(fù)產(chǎn)時即在鋼管焊接接頭附近發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。通過宏觀低倍、微觀金相、化學(xué)成分分析以及掃描電鏡分析等一系列方法，對該304不銹鋼管裂紋形成原因進行分析。結(jié)果表明：該304不銹鋼管的破裂原因為連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂，通過向該304不銹鋼管內(nèi)吹掃氬氣，密封兩端口，可避免連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。焊接時降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，也可降低連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的可能性。

 某公司輸氣管項目使用奧氏體不銹鋼管，牌號為304，型號為DN350，壁厚為5ｍｍ，鋼管采用焊接方式連接，焊接工藝為手工電弧焊工藝。該奧氏體不銹鋼管內(nèi)輸送介質(zhì)為含硫化氫等腐蝕介質(zhì)的富氨液，管內(nèi)介質(zhì)壓力0.5MPa，溫度35～45℃，運行半年后停產(chǎn)半年，復(fù)產(chǎn)時即在鋼管焊接接頭附近發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。為確定裂紋的形成原因，本工作在該奧氏體不銹鋼管裂紋附近切取１件試樣，對其裂紋形成原因進行了分析。

一、理化檢驗

  開裂奧氏體不銹鋼管形貌貌見圖，由圖可見：焊接熱影響區(qū)寬度達20ｍｍ，裂紋均產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)內(nèi)。

 1. 低倍檢驗

  在奧氏體不銹鋼管裂紋附近切取１件縱截面低倍試樣，觀察鋼管的裂紋擴展深度情況及鋼管的低倍組織。試樣采用50％（體積分數(shù)，下同）鹽酸水溶液侵蝕后，其縱低倍組織形貌見圖。由圖可見：裂紋是從內(nèi)表面向外表面逐漸擴展的，除熱影響區(qū)附近的裂紋外，未見其他不允許的冶金缺陷。由圖可見：鋼管主裂紋基本呈橫向，枝裂紋沿主裂紋兩側(cè)，呈網(wǎng)狀裂紋擴展。

 2. 化學(xué)成分

 304不銹鋼管的化學(xué)成分分析結(jié)果見表。由表可見，各元素含量均符合GB/T 1220-2007 標準的要求。

 3. 宏觀斷口形貌

  將裂紋掰開后，裂紋斷口宏觀形貌見圖。由圖可見：斷面上有一層黑灰色的腐蝕產(chǎn)物，但依稀可見斷口是呈結(jié)晶狀的脆性斷口。

 4. 金相檢驗

  在低倍試樣裂紋處切取高倍試樣，磨制其縱向面，在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，裂紋微觀形貌見圖。裂紋呈網(wǎng)狀裂紋，經(jīng)王水溶液腐蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，裂紋為沿晶裂紋。鋼管焊縫處顯微組織為奧氏體＋鐵素體，熔合線處顯微組織為奧氏體，鋼管基體顯微組織為奧氏體，鋼管基體晶粒度為4.5級，熱影響區(qū)晶粒度也為4.5級。

 5. 掃描電鏡分析結(jié)果

  將304不銹鋼管裂紋掰開后，采用掃描電鏡觀察斷口表面清洗前后的形貌，裂紋斷口表面形貌，見圖。由圖可見：整個斷面均為冰糖狀沿晶斷口。腐蝕產(chǎn)物微區(qū)成分能譜見圖，以硫、鐵、氧等元素為主。

二、分析與討論

 該304不銹鋼管在焊接熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并且焊接熱影響區(qū)較寬。通常情況下，若焊接過程中產(chǎn)生裂紋，多為焊接結(jié)晶時產(chǎn)生的焊接熱裂紋，或焊后一段時間產(chǎn)生的焊接冷裂紋。而奧氏體不銹鋼管開工使用半年后未見裂紋，停工半年后復(fù)工時立即發(fā)現(xiàn)裂紋，這表明裂紋并非焊接裂紋。

 由裂紋宏觀形貌可見，裂紋有主干，有分支，主干裂紋為橫向裂紋，裂紋產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)附近，此處在焊接接頭收縮應(yīng)力下，必然存在軸向的焊接拉伸殘余應(yīng)力；從裂紋斷口宏觀和微觀形貌來看，裂紋斷口面上存在腐蝕產(chǎn)物。這表明，該奧氏體不銹鋼管既受軸向拉伸殘余焊接應(yīng)力，又受腐蝕作用，因此該304不銹鋼管裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。

 由裂紋斷面腐蝕產(chǎn)物成分可見，腐蝕產(chǎn)物主要含硫、鐵、氧等元素；從裂紋斷面微觀形貌可見，裂紋斷口為冰糖狀的沿晶斷口。這表明，該304不銹鋼管應(yīng)力腐蝕破裂可能為硫化物應(yīng)力腐蝕破裂或者連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂，不是含氯離子的應(yīng)力腐蝕破裂。而奧氏體組織對硫化物應(yīng)力腐蝕破裂最不敏感，該鋼管組織全為奧氏體，對硫化物應(yīng)力腐蝕最不敏感，產(chǎn)生硫化物應(yīng)力腐蝕破裂的可能性最小，因此，該304不銹鋼管破裂應(yīng)為連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。產(chǎn)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂需要介質(zhì)因素、材料因素和應(yīng)力因素綜合作用，缺一不可。

  1. 介質(zhì)因素即鋼管內(nèi)壁存在連多硫酸或連多硫酸鹽，連多硫酸一般是由空氣中的氧氣、水和金屬硫化物發(fā)生反應(yīng)而生成的。從該奧氏體不銹鋼管破裂的情況來看，鋼管內(nèi)介質(zhì)含硫化氫，在使用過程中硫化氫和管壁的鐵發(fā)生反應(yīng)生成硫化鐵，鋼管在停工半年期間，鋼管必通風(fēng)，空氣中的氧氣和水進入管內(nèi)，必然和管壁內(nèi)的硫化鐵發(fā)生反應(yīng)生成連多硫酸。因此，該304不銹鋼管破裂具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)因素。

  2. 材料因素據(jù)有關(guān)資料介紹，常規(guī)碳含量的奧氏體不銹鋼在敏化溫度（430～815℃）區(qū)間停留，會對應(yīng)力腐蝕破裂敏感。該破裂鋼管材質(zhì)為常規(guī)碳鋼，裂紋位置位于焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，熱影響區(qū)必然經(jīng)過敏化溫度區(qū)間的短暫停留，即具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的材料因素。

 3. 應(yīng)力因素鋼管壁厚5ｍｍ，但焊接熱影響區(qū)寬度則高達近20ｍｍ，盡管裂紋不是焊接裂紋，但是，焊接熱影響區(qū)較寬，焊接后由于焊接接頭的收縮，熱影響區(qū)部位必然存在較大的殘余軸拉伸應(yīng)力作用。因此，該304不銹鋼管具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的應(yīng)力因素。

  綜上所述，該304不銹鋼管同時具備了連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的介質(zhì)因素、材質(zhì)因素和應(yīng)力因素，這就進一步證實，該304不銹鋼管破裂為連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。因該304不銹鋼管需焊接，應(yīng)力因素不可避免，但降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，即可降低鋼管焊接后的殘余焊接應(yīng)力，從而可降低鋼管連多硫酸應(yīng)力腐蝕的可能性。另一方面從介質(zhì)因素改進，該奧氏體鋼管在使用過程中，不可避免會在內(nèi)壁產(chǎn)生硫化鐵，在停工時，應(yīng)用氬氣吹掃管內(nèi)的空氣和水分，并立即密封鋼管的兩端口，避免管內(nèi)存在空氣和水分，即可避免連多硫酸的產(chǎn)生，因此可避免連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。事故責(zé)任方根據(jù)本工作提供的預(yù)防措施，鋼管停工時，用氬氣吹掃管內(nèi)的空氣和水分，并立即密封鋼管的兩端口，未再出現(xiàn)裂紋事故。

三、結(jié)論

 1. 該304不銹鋼管裂紋為連多硫酸應(yīng)力腐蝕裂紋。

 2. 向該304不銹鋼管內(nèi)吹掃氬氣，密封兩端口，可避免連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂。焊接時降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，也可降低連多硫酸應(yīng)力腐蝕破裂的可能性。