劉天佐

摘 要：本文針對(duì)液氨管道不銹鋼三通出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，進(jìn)行了一系列理化試驗(yàn)，包括拉伸、金相、掃描電鏡觀察等，最終確定此次裂紋開(kāi)裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋，造成三通開(kāi)裂的主要原因是該三通未進(jìn)行固溶處理，且運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素，而三通材質(zhì)中P含量過(guò)高，Cr含量過(guò)低促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：液氨管道；不銹鋼三通；應(yīng)力腐蝕裂紋；失效分析

中圖分類號(hào)：TQ53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0072-03

1 概述

某電廠氨區(qū)液氨管道不銹鋼三通發(fā)生開(kāi)裂泄漏，不銹鋼三通規(guī)格為Φ108×4mm，材質(zhì)為SA-213TP304H，運(yùn)行介質(zhì)為氨蒸汽，運(yùn)行溫度約200℃，運(yùn)行壓力小于1MPa，運(yùn)行時(shí)間約15000h。

2 檢驗(yàn)內(nèi)容

2.1 宏觀檢查

對(duì)發(fā)生開(kāi)裂的不銹鋼三通進(jìn)行宏觀檢查，宏觀照片及取樣位置示意圖如圖1所示。

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，三通本體兩側(cè)各有一條裂紋，一側(cè)裂紋長(zhǎng)約90mm，另一側(cè)裂紋長(zhǎng)約55mm，兩條裂紋形態(tài)均為平直型，裂紋開(kāi)口較小，沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形。三通外表面腐蝕不明顯，但剖開(kāi)后發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有較多的腐蝕產(chǎn)物。

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)不銹鋼三通取樣鉆取鐵屑，利用PerkinElmer Optima210 0DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S分析儀，依據(jù)GB/T 20123-2006《鋼鐵 總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》及GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》進(jìn)行化學(xué)成分分析，成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

化學(xué)成分結(jié)果表明，三通取樣的C含量低于GB5310-2008中對(duì)07Cr19Ni10（TP304H）鋼C含量規(guī)定的下限值，但仍在允許的偏差范圍內(nèi)，而P含量高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，Cr含量低于規(guī)定的下限值，P和Cr的含量已超出標(biāo)準(zhǔn)允許的偏差范圍。

2.3 室溫拉伸試驗(yàn)

依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，對(duì)三通取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣采用弧線試樣，保留原表面，使用設(shè)備為日本島津AG-IC 100kN精密電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

室溫拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，三通取樣的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著高于GB5310-2008中對(duì)07Cr19Ni10（TP304H）鋼規(guī)定的上限值，而延伸率則明顯偏低，不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的一半。

2.4 金相檢驗(yàn)

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級(jí)倒置萬(wàn)能金相顯微鏡，依據(jù)GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》對(duì)三通本體斷面處取樣1#、三通本體裂紋尖端處取樣2#和直段母材取樣3#進(jìn)行觀察和檢驗(yàn)，金相檢驗(yàn)照片見(jiàn)圖2～圖4，金相檢驗(yàn)結(jié)果如下：

由圖2金相組織照片可以看出，三通本體斷面處取樣1#的金相組織為奧氏體組織，基體內(nèi)存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長(zhǎng)變形特征，晶粒度為5～6級(jí)。斷面處呈沿晶斷裂特征，可見(jiàn)二次裂紋。

由圖3金相組織照片可以看出，三通本體裂紋尖端處取樣2#的金相組織為奧氏體組織，基體內(nèi)存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長(zhǎng)變形特征，晶粒度為5～6級(jí)。裂紋有明顯的分叉，裂紋以沿晶型開(kāi)裂特征為主。

由圖4金相組織照片可以看出，直段母材取樣3#的金相組織為孿晶奧氏體組織，晶粒度為6～7級(jí)，組織正常。

2.5 非金屬夾雜檢驗(yàn)

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級(jí)倒置萬(wàn)能金相顯微鏡，依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》對(duì)三通取樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)照片見(jiàn)圖5，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表明，各位置取樣的非金屬夾雜物等級(jí)滿足GB5310-2008的要求。

2.6 維氏硬度試驗(yàn)

對(duì)各位置取樣的金相樣品表面進(jìn)行維氏硬度檢驗(yàn)，維氏硬度檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在金相檢驗(yàn)面進(jìn)行，測(cè)試設(shè)備為HV-50Z型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)力為10kgf，試驗(yàn)力保持時(shí)間10s。維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

三通取樣的維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，三通本體取樣的硬度值顯著高于GB5310-2008中對(duì)07Cr19Ni10（TP304H）鋼規(guī)定的上限值，直段母材取樣的硬度值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.7 掃描電鏡微觀觀察及能譜分析

依據(jù)JY/T 010《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，對(duì)三通斷口取樣進(jìn)行掃描電鏡微觀觀察及能譜微區(qū)成分分析，結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

通過(guò)對(duì)三通斷口的掃描電鏡觀察及能譜分析可以看出，斷口由內(nèi)壁側(cè)啟裂向外壁側(cè)擴(kuò)展，整個(gè)斷面均為冰糖塊狀的沿晶型斷裂特征，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁側(cè)啟裂區(qū)尤為明顯，且有較多的腐蝕坑。對(duì)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中有一定量的Cl、S等腐蝕性元素。

3 分析與討論

綜上理化檢驗(yàn)結(jié)果分析，三通強(qiáng)度和硬度顯著高于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值（抗拉強(qiáng)度均值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的2.2倍，屈服強(qiáng)度均值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的4.8倍，硬度均值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值的2.2倍），且金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三通本體基體內(nèi)存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長(zhǎng)變形特征，這些特征表明，三通在加工完成后沒(méi)有進(jìn)行固溶處理，形變硬化程度較高，內(nèi)應(yīng)力沒(méi)有消除。

其次，宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三通內(nèi)表面有較多的腐蝕產(chǎn)物，斷口掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口由內(nèi)壁側(cè)啟裂向外壁側(cè)擴(kuò)展，整個(gè)斷面均為冰糖塊狀的沿晶型斷裂特征，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁側(cè)啟裂區(qū)尤為明顯，且有較多的腐蝕坑。對(duì)腐蝕產(chǎn)物的能譜分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中有一定量的Cl、S等腐蝕性元素。同時(shí)，金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋有明顯的分叉，裂紋以沿晶型開(kāi)裂特征為主。以上特征表明，該三通裂紋具備應(yīng)力腐蝕裂紋的特征，且運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素。

再者，對(duì)三通的化學(xué)成分檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，取樣的P含量高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，Cr含量低于規(guī)定的下限值。過(guò)高的P含量易引起P元素在晶界偏聚，弱化晶界，而過(guò)低的Cr含量會(huì)降低不銹鋼的耐蝕性能。

因此，綜合分析，該三通未進(jìn)行固溶處理，強(qiáng)度過(guò)高，韌性不足，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)，運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素，導(dǎo)致該三通發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，而P含量過(guò)高，Cr含量過(guò)低進(jìn)一步加速了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終引起泄漏失效。

4 結(jié)論及建議

液氨管道不銹鋼三通的裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋，造成三通開(kāi)裂的主要原因是該三通未進(jìn)行固溶處理，且運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素，而三通材質(zhì)P含量過(guò)高，Cr含量過(guò)低促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展。針對(duì)以上結(jié)論，建議如下：

（1）對(duì)制造三通的原始材料進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)，確保各項(xiàng)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；

（2）三通制造成型后及時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固溶處理，充分消除加工引起的形變硬化和內(nèi)應(yīng)力；

（3）對(duì)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行篩查，避免Cl元素等不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性元素進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境中。

參考文獻(xiàn)

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