分享：不銹鋼彎頭的泄漏失效原因

在石油化工、航空航天領(lǐng)域,奧氏體不銹鋼由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能和抗腐蝕性能得到廣泛應(yīng)用。奧氏體不銹鋼表面絕大部分處于鈍性狀態(tài),腐蝕速率可以忽略不計(jì),但在表面很小的區(qū)域,腐蝕速率相差幾十萬(wàn)倍。奧氏體不銹鋼在一定條件下會(huì)發(fā)生腐蝕,尤其以局部腐蝕最為常見(jiàn)。局部腐蝕主要有電偶腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕、氫脆等,并且它們存在協(xié)同作用。局部腐蝕廣泛發(fā)生且危害性較大,腐蝕破壞通常沒(méi)有明顯預(yù)兆,不僅影響正常使用還可能引發(fā)安全事故[1]。 

晶間腐蝕是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界產(chǎn)生的腐蝕,由微電池作用引起。這種腐蝕從表面開(kāi)始,沿著晶界向內(nèi)部發(fā)展,直至成為潰瘍性腐蝕[2-5]。 

點(diǎn)蝕指金屬表面?zhèn)€別區(qū)域或微小區(qū)域出現(xiàn)腐蝕孔或者麻點(diǎn),隨著時(shí)間推移,腐蝕孔不斷向縱深方向發(fā)展,形成腐蝕坑[6-7]。 

某不銹鋼氮?dú)夤苈废到y(tǒng),在服役18個(gè)月后發(fā)生了管路彎頭穿孔泄漏現(xiàn)象,彎頭材料0Cr18Ni9（新牌號(hào)06Cr19Ni10）,型號(hào)為DN50。為了保證管路系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行,筆者從失效彎頭的宏觀形貌、理化檢測(cè)以及微觀掃描電鏡等方面進(jìn)行了分析,找到彎頭失效的原因,提出相應(yīng)的改進(jìn)措施,以期避免類似事故的再次發(fā)生[8-9]。 

1.   概述

某氮?dú)夤庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為9 MPa,管路為DN50,管路材料為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼（符合GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)）。不銹鋼彎頭采用GB/T 12459-2005《鋼制對(duì)焊無(wú)縫管件》標(biāo)準(zhǔn)中的1.5倍彎曲變徑（長(zhǎng)半徑）彎頭,牌號(hào)0Cr18Ni9,供貨狀態(tài)為固溶熱處理。 

彎頭與不銹鋼管采用手工氬弧焊接連接,焊縫進(jìn)行了射線檢測(cè)（I級(jí)合格）。彎頭焊縫外表面進(jìn)行了酸洗鈍化處理。系統(tǒng)安裝完成后,對(duì)整條管路進(jìn)行了9 MPa氣密性檢查,未發(fā)現(xiàn)任何異常現(xiàn)象。 

管道系統(tǒng)使用18個(gè)月后進(jìn)行檢修維護(hù),出現(xiàn)持續(xù)壓力降低現(xiàn)象,在某管路彎頭處聽(tīng)到漏氣聲音,初步判斷彎頭出現(xiàn)了泄漏小孔。采用滲透無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)問(wèn)題管路彎頭進(jìn)行著色檢測(cè),在彎頭焊縫熱影響區(qū)存在缺陷顯影以及小孔缺陷,圖1（a）標(biāo)示位置為小孔泄漏區(qū)域。對(duì)整根管線彎頭部分進(jìn)行了表面滲透檢測(cè),有的彎頭熱影響區(qū)僅存在孔蝕現(xiàn)象,并未腐蝕穿透,見(jiàn)圖1（b）；有的彎頭表面完好,未發(fā)生腐蝕,見(jiàn)圖1（c）。 

圖  1  滲透檢測(cè)的彎頭形貌

Figure  1.  Morphology of elbows for penetration detection: (a) leakage elbow; (b) pitting elbow; (c) uncorroded elbow

2.   理化檢驗(yàn)與結(jié)果

2.1   宏觀形貌

將管路系統(tǒng)進(jìn)行放氣處理后,采用機(jī)械工具將彎頭從鋼管上切割下來(lái),便于進(jìn)一步進(jìn)行彎頭泄漏原因分析,彎頭外表面形貌見(jiàn)圖2。 

圖  2  彎頭外表面形貌

Figure  2.  Macroscopic morphology of the outer surface of the elbow: (a) overall appearance of the outer surface; (b) localized corrosion morphology; (c) leakage area morphology

對(duì)失效彎頭的外表面進(jìn)行宏觀觀察,可以看出,彎頭外表面焊縫附近的腐蝕情況比較嚴(yán)重,腐蝕部位均發(fā)生在焊縫兩側(cè)距離焊縫大約10 mm的位置,腐蝕嚴(yán)重區(qū)域的寬度約10 mm,該區(qū)域?yàn)閺濐^焊縫熱影響區(qū),顏色明顯較深。彎頭其他區(qū)域與焊縫區(qū)域表面光亮,未見(jiàn)銹蝕現(xiàn)象。泄漏區(qū)域外表面焊縫熱影響區(qū)存在多處腐蝕斑點(diǎn)。 

將彎頭剖開(kāi),觀察內(nèi)表面。彎頭內(nèi)表面余高較大,并且凹凸不平,因未經(jīng)過(guò)酸洗鈍化而呈現(xiàn)灰黑色,熱影響區(qū)發(fā)生了高溫氧化,因溫度不同呈現(xiàn)亮黃色或亮藍(lán)色。焊縫內(nèi)表面部分區(qū)域存在明顯的黃褐色銹蝕形貌,主要分布在焊縫及其兩側(cè)熔合線位置,熔合線縫隙處銹蝕較為嚴(yán)重。泄漏點(diǎn)對(duì)應(yīng)內(nèi)表面也存在腐蝕區(qū)域,見(jiàn)圖3。 

圖  3  彎頭內(nèi)表面形貌

Figure  3.  Macroscopic morphology of internal surface of elbows: (a) overall appearance of the inner surface; (b) weld corrosion morphology; (c) leakage area morphology

2.2   化學(xué)成分

彎頭采用不銹鋼管推制加工制作而成,若元素成分不達(dá)標(biāo),可能會(huì)在使用過(guò)程中引起失效問(wèn)題。首先對(duì)彎頭母材的化學(xué)成分進(jìn)行分析,見(jiàn)表1?？梢钥闯瞿覆某煞譂M足GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》的規(guī)定。 

選取未見(jiàn)腐蝕的彎頭母材,沿厚度方向制備樣品,由圖4可見(jiàn)：母材組織正常,為固溶態(tài)奧氏體組織,未見(jiàn)腐蝕孔隙、晶間腐蝕、溝狀組織等缺陷。 

圖  4  彎頭母材形貌

Figure  4.  Morphology of elbow base material

母材試樣的能譜分析結(jié)果表明其主要元素成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Fe69.19%、Cr19.5%、Ni9.04%、Mn1.43%、Si0.84%,其主合金元素及含量與0Cr18Ni9不銹鋼基本相符。 

2.3   微觀形貌

采用掃描電鏡觀察彎頭泄漏區(qū)域外表面形貌,由圖5可見(jiàn),泄漏區(qū)域外表面形態(tài)存在“泥紋”狀腐蝕形貌,腐蝕產(chǎn)物脫落區(qū)域的基體可見(jiàn)多個(gè)腐蝕孔洞和沿晶微裂紋。能譜分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要含有O、Fe和少量的Cl、S元素,為基體腐蝕產(chǎn)物。 

圖  5  外表面形貌

Figure  5.  Morphology of outer surface

采用掃描電鏡觀察彎頭泄漏區(qū)域內(nèi)表面形貌,由圖6可見(jiàn),漏區(qū)域內(nèi)表面存在腐蝕現(xiàn)象,腐蝕產(chǎn)物脫落區(qū)域的基體可見(jiàn)腐蝕孔洞和沿晶微裂紋,還可見(jiàn)分叉、斷續(xù)沿晶微裂紋。能譜分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要含有O、Fe、Cr和少量的S、Cl元素,為基體的腐蝕產(chǎn)物。 

圖  6  內(nèi)表面形貌

Figure  6.  Morphology of inter surface

2.4   顯微組織

在彎頭泄漏區(qū)域附近沿橫截面制備金相試樣進(jìn)行觀察,采樣位置見(jiàn)圖7,分別是母材（位置1）,熱影響區(qū)外表面（位置2）,熱影響區(qū)內(nèi)部（位置3）,泄漏通道（位置4）,焊縫熔合線（位置5）和焊縫內(nèi)表面（位置6）。由圖8可見(jiàn)：母材組織為孿晶奧氏體組織,晶界未見(jiàn)異常。熱影響區(qū)外表面存在明顯的沿晶腐蝕及沿晶微裂紋,腐蝕深度約0.2 mm,表明外表面熱影響區(qū)的腐蝕為晶間腐蝕。熱影響區(qū)域組織與母材組織及熔合線區(qū)域的組織存在明顯差異,熱影響區(qū)奧氏體晶界上存在網(wǎng)狀分布的顆粒狀碳化物,表明該區(qū)域組織在焊接后存在敏化現(xiàn)象。泄漏區(qū)域存在一定深度的沿晶腐蝕現(xiàn)象,沿晶腐蝕呈斷續(xù)狀,逐層磨拋后觀察到最長(zhǎng)一處沿晶腐蝕深度約1.5 mm,表明泄漏區(qū)域的腐蝕均為晶間腐蝕,并存在明顯的泄漏通道。焊縫熔合線區(qū)域組織正常,未見(jiàn)明顯的氣孔、焊接熱裂紋、夾雜等焊缺陷。內(nèi)表面焊縫及熔合線的剖面上觀察不到明顯的腐蝕現(xiàn)象（黑色氧化物）,表明內(nèi)表面腐蝕深度較淺,但是存在腐蝕凹坑。 

圖  7  金相組織采樣位置

Figure  7.  Sampling of location metallographic structure

圖  8  彎頭不同位置的金相組織

Figure  8.  Metallographic structure of elbow at different positions

3.   分析與討論

3.1   結(jié)果分析

彎頭母材正常,彎頭部分焊縫熱影響區(qū)發(fā)生了晶間腐蝕,在鹽霧環(huán)境中,S2-、Cl-引起局部腐蝕（點(diǎn)蝕）,導(dǎo)致介質(zhì)穿孔泄漏。 

彎頭焊接過(guò)程中焊接參數(shù)控制不當(dāng),焊縫熱影響區(qū)發(fā)生敏化,引起晶間腐蝕。后續(xù)焊縫進(jìn)行酸洗鈍化處理會(huì)加劇晶間腐蝕。焊接因素以及酸洗鈍化工藝對(duì)焊縫熱影響區(qū)的金相組織影響將進(jìn)行進(jìn)一步討論。 

3.2   焊接因素影響

敏化現(xiàn)象指經(jīng)過(guò)固溶處理的奧氏體不銹鋼,在500~850 ℃時(shí),Cr從奧氏體中以碳化物的形式析出,而C在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于Cr的擴(kuò)散速度,C不斷向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散,并在晶間形成C和Cr的化合物。熱影響區(qū)奧氏體晶界上存在網(wǎng)狀分布的顆粒狀碳化物,而其他位置碳化物析出較少,表明熱影響區(qū)組織發(fā)生了敏化,從而造成晶間腐蝕。 

敏化現(xiàn)象的發(fā)生與焊接時(shí)熱輸入量相關(guān),而焊接時(shí)的熱輸入量與焊接電流和焊接速率相關(guān)。依據(jù)《焊工手冊(cè)》中對(duì)氬弧焊工藝參數(shù)的推薦數(shù)值,當(dāng)焊接速率為5 cm/min時(shí),隨著焊接電流的增大,焊縫熱影響區(qū)的顯微組織更容易發(fā)生晶間腐蝕。 

3.3   酸洗鈍化因素影響

彎頭焊接后,為了保證焊縫外表面的美觀,通常對(duì)外表面進(jìn)行酸洗鈍化。酸洗鈍化工藝所用酸洗鈍化膏的主要組分為：硝酸、氫氟酸、緩蝕劑以及鈍化劑等。根據(jù)產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū),酸洗鈍化方法為涂抹法,酸洗鈍化后采用潔凈水沖洗。 

對(duì)于存在晶間腐蝕趨勢(shì)的熱影響區(qū),對(duì)比經(jīng)過(guò)酸洗鈍化前后試樣表面的掃描電鏡（SEM）觀察結(jié)果,酸洗鈍化后的表面晶界更加明顯,晶間腐蝕加劇,見(jiàn)圖9。 

圖  9  酸洗前后試樣的表面SEM形貌

Figure  9.  Surface SEM morphology of samples before (a) and after (b) acid washing

4.   結(jié)論及建議

為了保證管路系統(tǒng)在后續(xù)使用過(guò)程中的安全運(yùn)行,對(duì)氮?dú)夤苈废到y(tǒng)所有彎頭進(jìn)行滲透檢測(cè)。根據(jù)彎頭的腐蝕情況進(jìn)行相應(yīng)的處理,主要采取了以下措施。 

（1）對(duì)于已經(jīng)發(fā)生腐蝕穿孔的彎頭,進(jìn)行切除更換。彎頭焊接過(guò)程嚴(yán)格控制焊接熱輸入量,降低焊接電流,控制焊接速率,縮小焊縫熱影響區(qū)的寬度,避免引起晶間腐蝕。 

（2）對(duì)于焊縫附近發(fā)生輕微腐蝕的彎頭,采用測(cè)厚儀測(cè)量減薄量,根據(jù)彎頭的承壓能力評(píng)判是否可以繼續(xù)使用或者更換。對(duì)于腐蝕后彎頭厚度仍可以滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的,對(duì)腐蝕區(qū)域進(jìn)行打磨處理,去除腐蝕層。 

（3）對(duì)于表面滲透檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)有任何腐蝕跡象的彎頭,可以繼續(xù)使用。 

（4）對(duì)所有彎頭進(jìn)行防腐蝕處理,采用雙組份氟碳防腐涂料。氟碳涂料以特種樹(shù)脂、固化劑為主要成分,是常溫固化型有色金屬防腐蝕涂料,抗紫外線能力強(qiáng),具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性,優(yōu)異的耐溫性能,可以抵抗鹽霧環(huán)境下Cl-引起的點(diǎn)蝕。

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