供稿|陳曉瀟 / CHEN Xiao-xiao
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工作溫度約為105 ℃的304不銹鋼脫鹽水管路共計45個彎頭中有10多個彎頭焊縫附近發(fā)生滲漏,滲水處補焊后,焊縫熱影響區(qū)又會出現(xiàn)滲水情況。利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀、拉伸試驗機等對304不銹鋼脫鹽水失效管道進行了實驗分析。實驗結(jié)果表明,失效的焊接管件存在裂紋、咬邊、未焊透和夾渣等焊接缺陷,焊縫及熱影響區(qū)存在應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展。同時,Cl-含量大大超出控制指標(biāo)的脫鹽水在管內(nèi)流通時,裂紋在焊接缺陷處萌生,在焊接應(yīng)力和Cl-腐蝕作用下,裂紋進一步擴展并穿透管壁,導(dǎo)致304不銹鋼水管滲漏失效。
焊接件在焊接過程中會在焊接缺陷處形成應(yīng)力集中。在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的影響下,焊接缺陷處逐漸形成裂紋,裂紋隨時間的積累逐漸擴展直至斷裂。這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發(fā)展,而且還能穿過晶粒[1-2]。在靜拉應(yīng)力作用下的腐蝕破壞一般稱為應(yīng)力腐蝕,在交變應(yīng)力作用下的腐蝕破壞則稱為腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕開裂是金屬在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的一種破壞形式。即使是塑性材料,應(yīng)力腐蝕開裂也是脆性形式的開裂。
某企業(yè)的在用304不銹鋼脫鹽水管路發(fā)生滲漏,管內(nèi)介質(zhì)為脫鹽水,工作壓力0.6 MPa,工作溫度約為105 ℃,管線約300 m,共計45個彎頭。發(fā)生滲漏時該管線已投用一年左右,滲漏前3個月,上工序水質(zhì)變化,出現(xiàn)過脫鹽水處理不合格情況。發(fā)現(xiàn)滲漏一個月內(nèi),該管線10多個彎頭焊縫附近出現(xiàn)滲漏,現(xiàn)象均為焊縫附近滴水或滲水,且對滲水處補焊后,焊縫熱影響區(qū)又會出現(xiàn)滲水情況。本文利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀、拉伸試驗機等對304不銹鋼脫鹽水失效管道進行了實驗 分析。
從304不銹鋼脫鹽水管路滲漏處取兩端各焊有彎頭的直管管件1件,見圖1(a)。樣品焊縫表面高凸,左側(cè)焊縫處滲水部位有細小裂紋存在,見圖1(b)。右側(cè)焊縫表面高凸,焊縫附近存在環(huán)向裂紋,長度約為30 mm,見圖1(c)。在滲水部位截取金相試樣和掃描試樣,在直管部位制取拉伸試樣。樣品經(jīng)線切割取樣后,在管件內(nèi)壁焊接處發(fā)現(xiàn)存在焊接缺陷——咬邊,見圖1(d)。
圖1 樣品宏觀形貌與取樣位置:(a) 樣品全貌;(b) 樣品左側(cè)滲漏處;(c) 樣品右側(cè)滲漏處;(d) 滲漏處焊接缺陷
分別從直管和彎管處取樣,進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。檢驗結(jié)果與GB/T 14976—2012中06Cr19Ni10(304)的化學(xué)成分進行比對,被檢管件各元素成分均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),未見異常。
在直管上截取拉伸試樣,進行拉伸實驗,結(jié)果見表2。從檢測結(jié)果可以看出,試樣的各力學(xué)性能均符合GB/T 14976—2012標(biāo)準(zhǔn)要求。
◆ 非金屬夾雜物分析
經(jīng)檢驗,所制取試樣的非金屬氧化物主要為球狀氧化物類,依據(jù)GB/T10561—2005,非金屬夾雜物評級為D0.5,見圖2。
表1 試樣的化學(xué)成分檢驗結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)
表2 直管試樣的拉伸實驗結(jié)果
◆ 焊縫顯微組織分析
對樣品的母材、熱影響區(qū)和焊縫的顯微組織進行分析,見圖3。樣品的母材金相組織為均勻的奧氏體組織,見圖3(a);焊縫處金相組織為奧氏體和枝晶狀鐵素體,見圖3(b);母材和焊縫處金相組織均為正常組織狀態(tài)。彎管部位由于彎曲變形緣故,在奧氏體基體組織上產(chǎn)生形變馬氏體,見圖3(c)。
◆ 滲水部位金相分析
圖2 試樣的非金屬夾雜物
從樣品左側(cè)滲水部位截取的金相試樣可見,鋼管內(nèi)壁焊接部位存在未焊透的焊接缺陷,裂紋從該缺陷處沿?zé)嵊绊憛^(qū)向外壁延伸,幾乎貫穿管壁,見圖4(a)。高倍下檢驗熱影響區(qū)裂紋,發(fā)現(xiàn)裂紋呈沿晶和穿晶兩種形式存在,同時裂紋處形成大量腐蝕坑,見圖4(b)。
檢查熱影響區(qū)附近的母材,可以看到滲水部位裂紋分支較多,由鋼管內(nèi)壁向外延伸,呈網(wǎng)絡(luò)狀分布,見圖5(a)。在樣品的滲水部位處,存在多條由內(nèi)壁向外壁擴展并貫穿整個管壁的裂紋,見圖5(b)。在熱影響區(qū)處,多條裂紋相互交匯構(gòu)成裂紋網(wǎng),管壁處及交匯處有大量點蝕坑存在,見圖5(c)和5(d)。
圖3 焊縫及熱影響區(qū)顯微組織:(a) 直管母材顯微組織;(b) 焊縫顯微組織;(c) 彎管顯微組織
圖4 滲水部位裂紋顯微組織:(a) 樣品未焊透部位裂紋全貌;(b) 熱影響區(qū)裂紋
◆ 掃描電子顯微鏡和能譜分析
(1) 裂紋斷口掃描電子顯微鏡和能譜分析。
制取樣品滲水部位斷口,發(fā)現(xiàn)斷口表面從鋼管外壁到內(nèi)壁均呈黑色、褐色氧化狀態(tài),未見明顯的疲勞條帶。經(jīng)掃描電子顯微鏡檢測,斷口表面被氧化物和腐蝕產(chǎn)物附著,經(jīng)能譜分析,表面附著物中含有Cl元素,見圖6。
(2) 焊縫裂紋掃描電子顯微鏡和能譜分析。
金相試樣經(jīng)拋光處理后進行掃描電子顯微鏡分析。該試樣的焊縫裂紋周圍材料與基體材料明顯不一,經(jīng)能譜分析,焊縫裂紋處含氧量較高,深灰色組織為氧化物組織,而母材基體不含有O元素,見圖7。
參考GB/T 14976—2012標(biāo)準(zhǔn)中06Cr19Ni10(304不銹鋼)的成分要求和力學(xué)性能要求,該試樣的直 管和彎管化學(xué)成分以及直管的力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖5 樣品熱影響區(qū)附近裂紋:(a) 熱影響區(qū)附近鋼管內(nèi)壁裂紋;(b) 貫穿管壁的裂紋全貌;(c) 熱影響區(qū)裂紋;(d) 裂紋和點蝕坑
圖6 裂紋斷口表面分析結(jié)果:(a) 微觀形貌;(b) 能譜分析
圖7 焊縫裂紋附近分析結(jié)果:(a) 微觀形貌;(b) 能譜分析1;(c) 能譜分析2
(1) 根據(jù)金相組織檢驗,直管和彎管的顯微組織為正常的奧氏體組織。通過對該試樣的非金屬夾雜物分析,其非金屬夾雜物的存在不是造成鋼管開裂滲水的原因。
(2) 根據(jù)對滲漏區(qū)域的宏觀觀察及金相檢驗,管外壁焊縫處存在明顯的焊接熱裂紋,在焊接應(yīng)力作用下,裂紋由管壁外表面向內(nèi)表面延伸;管件接頭處內(nèi)壁焊縫咬邊嚴(yán)重,存在未焊透部位,焊接缺陷的存在使鋼管焊接處的焊接應(yīng)力加大;在腐蝕介質(zhì)作用下,鋼管極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象,在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋的萌生和擴展。
經(jīng)掃描電子顯微鏡能譜分析,未見明顯的疲勞條帶,排除應(yīng)力腐蝕開裂的可能。裂紋表面存在大量腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物中含有Cl元素,奧氏體不銹鋼對Cl-的應(yīng)力腐蝕很敏感,少量的Cl-就可能導(dǎo)致不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂[3-6]。同時,在焊縫裂紋處,發(fā)現(xiàn)氧化物組織,即焊接過程中卷入氧化物造成的夾渣缺陷。在焊接過程中卷入外來氧化物不僅大大降低了焊縫的強度、韌性,而且使焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中,Cl-的存在會加速不銹鋼管發(fā)生應(yīng)力腐蝕。
結(jié)合管內(nèi)水質(zhì)檢測分析,可以看出有多項指標(biāo)在一段時間內(nèi)超出控制指標(biāo)范圍,其中Cl-控制指標(biāo)要求<0.1,而檢測出的Cl-為0.41~51.6,且運行時間較長,大大超出控制指標(biāo)。在高溫下(工作溫度為105℃),不銹鋼管由于焊接缺陷和焊接應(yīng)力的存在,極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。
脫鹽水管件開裂主要原因:(1)焊接過程產(chǎn)生多種焊接缺陷,包括熱裂紋、咬邊、未焊透和夾渣,造成焊縫及熱影響區(qū)存在應(yīng)力集中,導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展??梢酝ㄟ^提高焊接質(zhì)量,避免焊接缺陷出現(xiàn),焊接后對焊管進行無損檢測,并采取敲打焊接處等方式消除焊接應(yīng)力。(2)因存在脫鹽水處理不合格的情況,造成管內(nèi)流通介質(zhì)中有多項指標(biāo)在一段時間內(nèi)超出控制指標(biāo)范圍,特別是Cl-含量大大超出控制指標(biāo)。當(dāng)脫鹽水管在使用過程中,裂紋在焊接缺陷處萌生,在焊接應(yīng)力和Cl-腐蝕同時作用下,裂紋進一步擴展并穿透管壁,使脫鹽水管產(chǎn)生滲漏。需要進一步加強對脫鹽水的質(zhì)量控制,避免含Cl-的介質(zhì)對不銹鋼脫鹽水管的腐蝕。
《花團錦簇》惠愛平 王曉雯