供稿|陳曉瀟 / CHEN Xiao-xiao

內(nèi)容導(dǎo)讀

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。

分析方法與結(jié)果

樣品概況及宏觀形貌描述

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

化學(xué)成分檢測

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。

力學(xué)性能檢測

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。

金相分析

◆ 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。

失效原因分析與討論

化學(xué)成分和力學(xué)性能結(jié)果分析

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。

爆裂口宏觀形貌和金相分析

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。

掃描電子顯微鏡和能譜分析

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。

介質(zhì)水質(zhì)影響

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。

結(jié)束語

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