304不銹鋼管線腐蝕開裂原因分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用宏觀檢查、材質(zhì)檢測、硬度測試和金相分析等方法對304不銹鋼管線開裂的原因進行分析。分析結(jié)果表明，管線開裂是含氯離子環(huán)境下的低應(yīng)力腐蝕造成的。光學(xué)視鏡的石棉墊片泄漏是造成本段管線外表面氯離子富集并最終形成應(yīng)力腐蝕失效的主要原因。由于具有優(yōu)良的耐蝕性及綜合力學(xué)性能，鉻鎳奧氏體不銹鋼在工程中應(yīng)用越來越廣泛。同時，許多學(xué)者對不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的研究日益廣泛和深入,并取得了相當(dāng)大的進展。應(yīng)力腐蝕裂紋常導(dǎo)致不銹鋼構(gòu)件在低于設(shè)計應(yīng)力、沒有任何明顯宏觀變形和不出現(xiàn)任何征兆的情況下突然迅速破裂,這不僅會造成巨大危害,也嚴(yán)重妨礙了不銹鋼的進一步推廣和應(yīng)用。

一、情況概述

 某裝置汽提單元自開工以來，位于汽提泵出口管線的光學(xué)視鏡石棉墊片多次發(fā)生泄漏。最近一次因泄漏更換石棉墊片后，發(fā)現(xiàn)視鏡下部管段仍有液體介質(zhì)漏出，拆開保溫后發(fā)現(xiàn)視鏡下部管段已開裂。開裂管段材質(zhì)為304不銹鋼管，規(guī)格Ф114×5mm。管線操作溫度100℃左右、壓力0.4MPa，外部有保溫層。內(nèi)部介質(zhì)為含有氯化鈣的膠粒水，其中氯離子含量約為38～54mg/L。為了查明裂紋性質(zhì)及產(chǎn)生原因，采取相應(yīng)的防范措施，在失效部位進行取樣進行檢測分析。

二、檢查情況

 1. 宏觀檢查

  通過檢查發(fā)現(xiàn)，開裂管段外壁有很多呈枯樹枝狀的裂紋,裂紋開裂方向既有沿軸向的，也有沿環(huán)向的，裂紋處及管段整體未見明顯變形，如圖所示。沿管段開裂部位橫向截斷，觀察裂紋處的管壁橫斷面，可見裂紋從外壁表面沿縱深方向擴展,其中主裂紋已經(jīng)穿透。

  如圖所示開裂管段的內(nèi)表面光滑，無腐蝕痕跡，除裂紋部位外均保持原始加工表面。將裂紋打開，觀察裂紋的斷面，可以看到斷裂方向基本垂直于表面，斷口平齊，表面為粗瓷狀，裂紋斷面由管段外表面的黑棕色向內(nèi)表面過渡為棕灰色。斷口呈脆性斷裂特征。

 2. 材質(zhì)檢測

  對開裂管段采用直讀光譜儀進行元素成分分析，測定所用材料相當(dāng)于304SS，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

 3. 硬度檢測

 對開裂管段的裂紋附近部位進行硬度測試，其硬度平均值為179.3HV，硬度值在允許范圍內(nèi)，接近最高值。

 4. 金相檢查

 對開裂管段軸向上的裂紋切取試樣進行金相組織分析，試樣金相組織為奧氏體，晶粒均勻。觀察開裂管段斷面的裂紋微觀形態(tài)，可見裂紋均從管段外表面向內(nèi)表面擴展，而且主裂紋旁邊出現(xiàn)旁枝裂紋，呈枯樹枝狀。裂紋斷裂形式為穿晶+沿晶斷裂，以穿晶斷裂為主，屬于典型的應(yīng)力腐蝕失效特征。

三、管段開裂原因分析

  1. 腐蝕環(huán)境分析

  膠粒水中含有作為分散劑的氯化鈣，在光學(xué)視鏡石棉墊片泄漏時，一定量的膠粒水滲入保溫層，一部分膠粒水直接滲透接觸到管線外表面，由于管線溫度達(dá)到100℃左右，使膠粒水濃縮，大量氯離子在管段外表面聚集。另一部分膠粒水蒸發(fā)成含有氯離子的水蒸氣，含氯離子的水蒸氣與管線外表面接觸，形成局部的蒸汽+氯離子的應(yīng)力腐蝕環(huán)境。而304不銹鋼管對含有氯離子的腐蝕介質(zhì)具有敏感性，在高濃度氯離子作用下和大氣環(huán)境下，在管段外表面產(chǎn)生了發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的腐蝕條件。

  另外，對于該管段內(nèi)表面，膠粒水介質(zhì)中氯離子含量約為38～54mg/L，但由于管段內(nèi)表面光滑，介質(zhì)處于流動狀態(tài)，不易形成局部氯離子聚集。同時，該管段應(yīng)力水平相對較低，故管段內(nèi)表面不具備發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的條件。

  2. 應(yīng)力分析

  從管線的工況分析可知，首先，泵工作時管線承受約0.4MPa的內(nèi)壓，使管段外表面處于承受環(huán)向拉應(yīng)力的狀態(tài)；其次，在整個管線系統(tǒng)中存在管系應(yīng)力：如溫差應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、管段法蘭安裝時的拘束應(yīng)力等；最后，開裂管段的硬度值接近合格范圍值上限，硬度值偏高，可以判定管段經(jīng)過固溶熱處理后存在一定的殘余應(yīng)力。從金相組織分析，裂紋為穿晶+沿晶形態(tài)，表明總體應(yīng)力水平較低。但以上多種應(yīng)力疊加后在管段外表面形成環(huán)向、軸向等多方向復(fù)雜的拉應(yīng)力狀態(tài)。而應(yīng)力腐蝕的開裂方向與管段所受應(yīng)力的方向有關(guān)，一般沿應(yīng)力垂直的方向擴展，故在該開裂管段表面形成了多方向的開裂形貌。

  3. 管段材質(zhì)分析

   汽提單元管線材料為304不銹鋼管，而304不銹鋼管是氯離子應(yīng)力腐蝕的敏感材料。在環(huán)境中，氯離子含量達(dá)到一定值時，極易發(fā)生低應(yīng)力腐蝕實效。

四、建議采取措施

   1. 用戶正確安裝光學(xué)視鏡，防止視鏡的石棉墊片處頻繁泄漏。日常巡檢注意跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。

   2. 用戶調(diào)整氯化鈣的加入量，或使用不含氯離子的分散劑。

   3. 汽提系統(tǒng)管線材質(zhì)應(yīng)更換為氯離子應(yīng)力腐蝕敏感性低的材料（如雙相鋼2205）。

五、結(jié)語

  汽提6503泵的出口膠粒水管線開裂緣于304不銹鋼管在含氯離子環(huán)境下的低應(yīng)力腐蝕失效。光學(xué)視鏡的石棉墊片泄漏是造成本段管線外表面氯離子富集并最終形成應(yīng)力腐蝕失效的主要原因，設(shè)計時采用不抗氯離子應(yīng)力腐蝕的304不銹鋼管是管段應(yīng)力腐蝕失效的次要原因。