王步美

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院)

某廠2010年4月投產(chǎn)運(yùn)行的一條乙二醇常壓罐區(qū)管線在2012年12月有一處彎頭出現(xiàn)滲漏，廠家在彎頭外面加一個(gè)套管堵漏，又運(yùn)行兩月余，發(fā)現(xiàn)另一個(gè)彎頭相同位置也出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。筆者將滲漏彎頭沿與管系其他元件相連的焊接接頭焊縫處切割下來，運(yùn)用材料失效分析方法對彎頭進(jìn)行化學(xué)成分分析、硬度檢測、宏觀形貌分析、微觀組織及腐蝕產(chǎn)物分析，結(jié)合彎頭的運(yùn)行工況，對出現(xiàn)滲透的原因進(jìn)行分析，為后續(xù)彎頭選用及安裝改造提供理論依據(jù)。

1 彎頭滲漏故障及運(yùn)行工況

發(fā)生泄漏的彎頭為無縫彎頭，安裝在乙二醇常壓罐區(qū)，與管系其他元件采用對接焊連接。內(nèi)部介質(zhì)為高純度乙二醇，工作溫度低于40℃，工作壓力為1.6MPa。該彎頭規(guī)格為DN250mm×6.5mm，材料為固溶態(tài)304奧氏體不銹鋼，依照SH3408-1996制造。

2 彎頭滲漏原因分析

2.1 化學(xué)成分分析

對彎頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，化學(xué)成分符合GB/T14976-2002材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 彎頭化學(xué)成分分析 %

2.2 布氏硬度檢測

在彎頭遠(yuǎn)離熱影響區(qū)部位進(jìn)行布氏硬度檢測，測出的平均值為239HBW。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SH3408-1996要求，奧氏體不銹鋼彎頭固溶熱處理后硬度值應(yīng)不大于190HBW。該彎頭硬度值偏高，不合格。

2.3 宏觀分析

圖1為滲漏彎頭的宏觀形貌，在與管系對接焊的焊縫熱影響區(qū)附近的外表面存在多條垂直于焊縫的開口裂紋，也存在平行于焊縫的開口裂紋。遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的本體部分外表面光滑，在彎頭內(nèi)徑部分存在較多的腐蝕點(diǎn)。彎頭外表面仍有金屬光澤，內(nèi)表面銹蝕嚴(yán)重。

圖1 彎頭的宏觀形貌

在圖1中2號所示部位取樣并在丙酮中超聲波清洗20min后，利用掃描電鏡進(jìn)行低倍觀察，發(fā)現(xiàn)外表面存在多條開口裂紋并布滿腐蝕點(diǎn)，內(nèi)表面存在樹枝狀擴(kuò)展的開口裂紋，也存在腐蝕點(diǎn)坑，但是與外表面比較相對較少，如圖2所示。觀察該部位的縱截面，發(fā)現(xiàn)裂紋從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展，外表面的腐蝕坑為裂紋源，外表面裂紋開口寬度比內(nèi)表面大，部分裂紋已經(jīng)貫穿內(nèi)外表面，如圖3所示。

圖2 內(nèi)外表面宏觀形貌

圖3 縱截面宏觀形貌

2.4 微觀分析

2.4.1遠(yuǎn)離熱影響區(qū)部位金相檢驗(yàn)

在圖1中1號位置處取樣進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖4所示。組織為奧氏體和少量的形變馬氏體，晶粒大小比較均勻，晶界無析出產(chǎn)物。采用比較法分析，其晶粒度為5.5級。該取樣位置未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖4 遠(yuǎn)離熱影響區(qū)部位金相組織×500

2.4.2熱影響區(qū)部位金相檢驗(yàn)

在圖1中2號位置處取樣進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖5所示，組織為奧氏體。采用比較法分析，晶粒大小等級為5級，比圖1中1號取樣點(diǎn)晶粒稍大。在晶界交叉點(diǎn)處存在腐蝕坑(圖2)，裂紋沿晶開裂，成樹枝狀和網(wǎng)狀擴(kuò)展，腐蝕嚴(yán)重，有的晶界脫落。未腐蝕處的晶界光滑，沒有析出物。

2.5 斷口形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

采用機(jī)械方法將圖3所示的穿透裂紋打開，斷口形貌如圖6所示，裂紋為沿晶開裂，存在二次裂紋。晶粒的晶面上布滿泥紋狀腐蝕產(chǎn)物，晶界中也存在腐蝕產(chǎn)物。

圖5 熱影響區(qū)金相組織 ×500

圖6 斷口形貌

對晶面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖7所示，腐蝕產(chǎn)物中S元素含量為0.61%，Cl元素含量為0.77%；對晶界內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖8所示，S元素高達(dá)1.63%，Cl元素高達(dá)1.86%。兩處的氧含量均較高。

2.6 滲漏原因分析

綜上所述，彎頭產(chǎn)生從外向內(nèi)的穿透裂紋導(dǎo)致滲漏。彎頭外表面腐蝕坑為裂紋源，裂紋從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展，裂紋沿晶開裂，成樹枝狀和網(wǎng)狀擴(kuò)展，斷口表面上布滿泥紋狀腐蝕產(chǎn)物，并且腐蝕產(chǎn)物含有S、Cl元素，該裂紋屬于典型的應(yīng)力腐蝕開裂。

圖7 斷口晶面上腐蝕產(chǎn)物能譜分析

圖8 斷口晶界內(nèi)腐蝕產(chǎn)物能譜分析

彎頭組織中存在形變馬氏體，硬度值提高說明制造過程中固溶熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致彎頭中存在較高的加工應(yīng)力。形變馬氏體的存在導(dǎo)致彎頭耐腐蝕性下降，當(dāng)大氣環(huán)境中存在S、Cl時(shí)，彎頭表面就會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕。彎頭在現(xiàn)場焊接安裝使得熱影響區(qū)存在較高的焊接熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱影響區(qū)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3 改進(jìn)措施

建議采用316L替換304材料，理由為：

a. 根據(jù)研究，在0.5%氯離子環(huán)境中，SUS316材料應(yīng)力腐蝕壽命是常用材料SUS304的三十多倍[1～4]。

b. Mo元素存在于氯離子環(huán)境中以MoO2-的形式吸附在活性金屬表面，抑制了活性金屬面的溶解，為再鈍化爭取了時(shí)間，防止鈍化膜破壞，從而提高抗應(yīng)力腐蝕性能， SUS316的Mo含量比SUS304高出近3倍，因此其抗應(yīng)力腐蝕性能比SUS304高。

c. Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到10%～12%時(shí)，不銹鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性將降低，含量越高越有利于防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，資料表明，當(dāng)含量超過40%時(shí)，不銹鋼將基本不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

d. Cr能提高不銹鋼的耐晶間腐蝕的穩(wěn)定性，同時(shí)有利于提高它的點(diǎn)(孔)蝕電位，從而提高不銹鋼的應(yīng)力腐蝕性能，含量越高，不銹鋼鈍化膜越穩(wěn)定，抗應(yīng)力腐蝕性能越強(qiáng)。

4 結(jié)束語

304不銹鋼在制造過程中應(yīng)實(shí)施好固溶熱處理工藝(1 050～1 150℃，保溫30min，然后噴淋冷卻)，并在其后進(jìn)行硬度檢測，確保固溶熱處理效果，硬度合格者才能酸洗鈍化。在含有硫、氯的大氣環(huán)境下，應(yīng)采用耐腐蝕性更好的316L代替304奧氏體不銹鋼。彎頭在現(xiàn)場安裝焊接時(shí)要避免強(qiáng)制組對，焊接時(shí)要注意避免產(chǎn)生大的焊接殘余應(yīng)力。

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