林 寅*

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院）

0 引言

奧氏體不銹鋼不僅韌性好、耐腐蝕且外形美觀，在食品工業(yè)中被廣泛使用，奧氏體不銹鋼蒸汽管道在食品企業(yè)中保有量較大。但在實際使用過程中，奧氏體不銹鋼蒸汽管道也并非真的“不銹”，其內表面經常發(fā)現(xiàn)點蝕及氯化物應力腐蝕開裂，奧氏體不銹鋼應力腐蝕具有以下特點：（1）裂紋隱蔽性較強，不易察覺；（2）通常為脆性開裂，對設備本體危害較大，一旦開裂將會造成災難性的后果；（3）母材比焊縫部位容易開裂，因為焊縫中含有一部分網狀鐵素體，網狀鐵素體會切斷應力腐蝕裂紋的擴展通道，阻斷裂紋快速擴展?；谝陨蠋c，對奧氏體不銹鋼蒸汽管道氯化物應力腐蝕開裂的原因進行分析十分必要，可以使企業(yè)避免管道發(fā)生失效事故[1-5]。

1 管道概況

在對某食品車間蒸汽鍋爐壓力管道進行定期檢驗時發(fā)現(xiàn)其彎頭內表面發(fā)現(xiàn)大量裂紋，根據設計圖紙及安裝竣工資料可知該壓力管道材質為SUS304，管道起止點為蒸汽鍋爐至食品車間用汽設備，使用年限為8 a。GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質》標準中并未要求對工業(yè)鍋爐水質中氯離子的質量分數(shù)進行檢測，因此使用單位及有關監(jiān)管部門一直未對該鍋爐鍋水氯離子含量進行有效監(jiān)管。該食品企業(yè)因生產衛(wèi)生需要，在廠內工業(yè)用水中加入了一定量的次氯酸用來殺菌，并采用這些工業(yè)用水并經軟化處理后作為鍋爐給水。對鍋爐給水、鍋水中氯離子的質量分數(shù)進行取樣化驗，化驗結果顯示給水氯離子的質量分數(shù)為31.9×10-6，鍋水氯離子的質量分數(shù)高達689.9×10-6；最后由鍋水蒸發(fā)產生的飽和蒸汽中也存在高濃度的氯離子，這部分蒸汽進入管道后將對奧氏體不銹鋼造成極大的危害。經宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，該管道彎管均未見材質標識，為冷彎管，彎曲半徑為4D（直徑），外觀呈現(xiàn)明顯的軸向拉絲紋理，褶皺明顯，剖開彎管后發(fā)現(xiàn)，內表面存在大面積密集型裂紋，裂紋開口較大，呈階梯狀斷續(xù)延伸。

2 理化檢驗

2.1 硬度檢測

沿管道內表面的圓周方向均勻取5點，記為H1～H5，如圖1所示。對彎管內表面H1～H5進行布氏硬度檢測，檢測結果如表1所示。

圖1 管道內表面裂紋情況

表1 彎管內表面硬度檢測結果 HB

根據GB/T 13401—2017《鋼制對焊管件 技術規(guī)范》的相關要求，從表1可以看出，彎管硬度實測值已超出標準值22.9%～32.3%，硬度明顯偏高。

2.2 鐵素體測定

經測試，該彎管具有一定的磁性，但管道材料SUS304為奧氏體組織，理論上是不存在磁性的。因此對彎管進行FN數(shù)值測量（FN數(shù)表征馬氏體相變量），測量結果如表2所示。

表2 彎管FN數(shù)測量結果

從表2可以看出，彎管FN實測數(shù)值已嚴重超出正常范圍，其中存在大量的形變馬氏體，使得檢測結果中FN數(shù)值嚴重偏高。

2.3 化學成分分析

對彎管H3點取金屬粉末進行，通過X射線和原子全譜直讀光譜進行金屬化學成分分析，分析結果如表3所示。

表3 彎管金屬化學成分分析結果（質量分數(shù)） %

從表3可以看出，彎管金屬化學成分與GB/T 13401—2017標準要求出入較大。

2.4 金相檢驗

對H3點進行金相檢驗，檢驗結果如圖2所示，奧氏體晶粒沿著一定的方向被拉長，形成了帶狀組織，并發(fā)生組織相變形成馬氏體組織。

圖3 金相組織

3 裂紋原因分析

3.1 材質選用不當

表3的分析結果顯示，鋼材中Mn元素含量過高，Ni含量則過低。Ni是形成和穩(wěn)定奧氏體的重要元素，能夠顯著提高鋼材的韌性和耐腐蝕性。雖然Mn也是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，但在形成奧氏體組織方面，Mn的作用只有Ni的一半；在穩(wěn)定奧氏體組織方面，Mn的作用是降低鋼的臨界淬火速率，在冷卻時可抑制奧氏體組織分解。同時，Mn增加會使鋼材的耐腐蝕性能和抗氧化性能下降。以Mn代替Ni，將會顯著降低奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性，在對鋼材進行冷加工變形后，將促使奧氏體組織向馬氏體組織轉變。馬氏體組織將對材料帶來以下危害：（1）硬度提高，韌性降低，耐腐蝕性能降低；（2）增大晶粒間的位錯，并沿一定的方向呈階梯狀排列；（3）內部殘余應力增加；（4）馬氏體是在位錯密度高、界面能較高的地方形成，這也是應力集中的位置，該位置與帶狀組織和孿晶缺陷的地方往往是裂紋形成的位置，裂紋形成后則沿著晶粒變形方向擴展。

3.2 氯化物應力腐蝕開裂

通過表3可以看出，在彎頭化學成分中，C含量過高，Cr含量不足，材料中以Mn代Ni，這些原因都會使奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性降低。奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，主要是由于Cr、Ni元素在不銹鋼表面與氧原子反應形成一層以CrO3、NiO為主要成分的鈍化膜。當不銹鋼表面存在氯離子時，氯離子優(yōu)先被金屬吸附，并將鈍化膜中的氧原子排擠掉，從而破壞鈍化膜，使不銹鋼失去防腐蝕能力。同時，氯離子半徑小，穿透能力強，能夠穿透鈍化膜，到達奧氏體晶間與Cr反應形成可溶解的化合物。氯離子晶間腐蝕優(yōu)先在奧氏體晶粒之間的錯位、間隙、微小裂紋源等微觀缺陷進行。當奧氏體不銹鋼進行冷加工變形后，微觀缺陷增加，并沿一定的方向有序排列。于是氯離子晶間腐蝕便沿著微觀缺陷的排列方向進行，形成斷斷續(xù)續(xù)的腐蝕坑。同時，晶粒間的微小裂紋源在管道運行壓力、內部殘余應力以及氯離子腐蝕的作用下，逐漸擴展、延伸，并將這些斷斷續(xù)續(xù)的腐蝕坑連成一條條肉眼可見的裂紋。

3.3 形變馬氏體

奧氏體不銹鋼管道經過冷加工變形后會產生形變馬氏體，表2的檢測數(shù)據表明了奧氏體不銹鋼管道母材中含有一定量的馬氏體組織，這部分馬氏體組織的電位低于母材奧氏體，在含氯介質中會造成應力腐蝕滑移溶解，進而產生應力腐蝕裂紋，且馬氏體含量越多，應力腐蝕的敏感性就越強。

4 預防措施與建議

應選用材料標識及質量證明書均符合標準及設計要求的彎管進行更換。與蒸汽管道相連的鍋爐，給水可采用陰離子交換樹脂對氯離子進行消除處理。鍋水及蒸汽管道冷凝水應定期進行化驗，超過25×10-6時，應將鍋水及蒸汽管道冷凝水排干凈后方可重新投入運行。

在奧氏體不銹鋼壓力管道安裝監(jiān)檢過程中，檢驗人員應確認材料標識及質量證明書是否符合標準及設計要求，必要時進行金相檢驗及化學分析復驗；在定期檢驗過程中，檢驗人員應注意檢查管道蒸汽來源是否進行氯離子含量化驗及控制，對蒸汽冷凝水進行取樣化驗，條件允許或者必要時，可以對管子、管件取樣剖開進行內表面宏觀檢查及無損檢測，及時排查缺陷。

5 結語

奧氏體不銹鋼對氯離子敏感，而現(xiàn)實中往往都未對奧氏體不銹鋼壓力管道介質來源進行氯離子含量化驗及控制，造成管道中氯離子含量過高，形成氯離子應力腐蝕。而由于管道長、管徑小，往往未進行內表面檢查，形成監(jiān)管真空地帶，需引起各方重視。