临氢管道焊接接头断裂失效分析

张本所 夏明六

（铜陵市特种设备监督检验中心 铜陵 244000）

临氢管道焊接接头断裂失效分析

张本所 夏明六

（铜陵市特种设备监督检验中心 铜陵 244000）

通过对断裂钢管的宏观断口、化学成分、微观组织、断口形貌等方法查找该管道的断裂原因。结果表明：该管道材质为0Cr18Ni9（美标牌号为304）。断口为典型的脆性断口，细晶区碳化物聚集严重，在金相制样浸蚀过程中晶粒大量脱落，细晶区敏化程度严重，热影响区的敏化作用是导致发生晶间腐蚀断裂的主要原因。

临氢管道 晶间腐蚀 失效分析

某工厂管道规格φ20×1.5mm，工作压力≤4.0MPa，工作温度为常温，工作介质为含临氢含硫气体。该管道于2005年11月投入使用，2007年现场巡检过程中发现该管道断裂，断裂位置位于焊接接头热影响区。为分析该管道断裂原因以便寻找解决措施，对该管道断裂进行失效原因分析。

1 试验结果分析

1.1 宏观形貌分析

该管道断裂部位宏观断口见图1，断裂发生在焊缝热影响区。从图1中可以看出，管道内、外表面均已发生不同程度腐蚀，其表面布满红褐色腐蚀产物，表明管道内、外介质对该管道均具有腐蚀作用，但腐蚀较轻微，管壁厚度未见明显减薄。从图1断口情况可知断口表面基本垂直于管道轴线，为环形裂纹断口，断口（断裂）位置集中于焊缝熔合线附近（约4～6mm范围内）。从断口处管道壁厚及断口表面宏观形貌判断，该管道断口基本没有发生塑性变形特征，属于脆性断口。

图1 临氢管道及其断口宏观照片

1.2 化学成分分析

该管道断口处EDS成分分析结果见图2和表1，由此可知，该管道断口处成分为18.40%Cr元素和8.29%Ni元素，Mo元素含量很低（0.09%），且不含Ti元素。由GB/T 14976—2002《流体输送用不锈钢无缝管》中表3可知，该管道材质为0Cr18Ni9，美国标准牌号为304不锈钢。管道断口位于焊接接头热影响区，该位置在焊接过程中很可能已发生敏化作用（碳化物在不锈钢晶界上的析出而导致晶间贫铬[1]），因管道内、外介质均具有一定腐蚀性，因此可初步判断该不锈钢管道的断裂为晶间腐蚀断裂。

图2 临氢管道断口 EDS成分分析特征谱

由表1可知，该不锈钢管道中P元素含量符合GB/T 14976—2002《流体输送用不锈钢无缝管》规定要求，但S元素含量偏高（高达0.08%）。硫元素会引起钢的热脆性[2]，其超标会降低不锈钢管道的高温持久强度，从而减少不锈钢管道的使用寿命。

表1 临氢管道断口化学成分分析结果 %

1.3 显微组织分析

该不锈钢管焊接接头金相显微组织见图3，焊缝区组织[见图3(a)]为均匀的树枝状铸态组织，未见任何微裂纹、气孔等焊接缺陷。由熔合区组织[见图3(b)]可知焊接结合良好，未见任何未熔合微区存在。热影响区组织[见图3(c)]按晶粒度可区分为粗晶区和细晶区，粗晶区近熔合线，此处（属于过热区）晶粒粗大，此处所经历的焊接温度较高（＞900℃），属于奥氏体不锈钢固溶温度，晶界未发生碳化物析出，未形成晶界贫铬区，故不锈钢管道未在此处发生断裂；而细晶区相对远离熔合线、晶粒细小，与母材晶粒度相当，此处所经历的焊接温度较低（600～900℃），属于奥氏体不锈钢敏化温度区，晶界有碳化物析出，形成晶界贫铬区，故不锈钢管道在此处发生晶间腐蚀断裂。

由图3(c)中可知，细晶区碳化物聚集严重，晶粒在金相试验制样浸蚀过程中已发生大量晶粒脱落，表明细晶区不锈钢敏化程度非常严重，发生晶间腐蚀断裂已属必然。

图3 焊接接头金相显微组织

1.4 断口形貌分析

图4为该不锈钢管道焊接接头断口扫描电镜（SEM）断口形貌照片，由图4(a)中可知断口为典型的沿晶断口形貌特征，产生大量颗粒状腐蚀产物，晶粒大小约30μm。由图4(b)(×3000)断口微观形貌SEM照片可清晰观察到断口晶粒表面贫铬区微观腐蚀形貌特征，断口区晶粒表面贫铬区的腐蚀不均匀，腐蚀优先发生在应变能较高的孪晶区（微观塑性变形区，属于不锈钢典型塑性变形方式之一），并形成典型的鱼骨状微观断口形貌特征[4]。

图4 临氢管道焊接接头断口微观形貌SEM照片

2 失效原因分析

由该不锈钢管道焊接接头宏观断口照片可知，断口表面垂直于不锈钢管轴线，断裂位置位于焊接热影响区。该不锈钢管道断口断裂前未发生塑性变形，属于脆性断口，符合晶间腐蚀特征。奥氏体不锈钢在400～850℃范围内缓慢冷却时，在晶界上析出碳化物Cr23C6并沉积，造成晶界位置贫铬，在腐蚀介质中发生晶间腐蚀[5]。解释晶间腐蚀的机理模型有很多，各种模型均承认晶界区存在局部微观阳极的看法。由于晶界区既然遭受选择性腐蚀，那么它必然为阳极，但对阳极区的来源、发展和分布的理解各有不同，因而出现了各种晶间腐蚀理论。目前，主要为贫铬理论、第二相析出理论和晶界吸附理论[6]。贫铬理论是最早被提出，在实践中已得到了证实，是目前人们最广泛接受的理论。贫铬理论认为奥氏体不锈钢经过固溶处理后再较低温度（400～900℃）加热或缓慢冷却过程中，碳倾向于与铬结合形成碳化物Cr23C6，从过饱和的奥氏体中析出分布在晶界上。Cr23C6较晶粒内平均铬质量分数高很多，因此，Cr23C6的析出必然使其周围的晶界区消耗大量的铬，加之碳在奥氏体中的扩散速率远比铬的扩散速率大，从而使晶界处铬的消耗不能通过晶粒中铬的扩散得到及时地补充。其结果是晶界附近形成贫铬区，贫铬区含碳质量分数低于不锈钢表面形成耐蚀钝化膜所需要的最低含铬质量分数，因而钝态受到破坏。晶粒与晶界及其附近区域构成大阴极（钝化）—小阳极（活化）的微电池，从而加速了晶界区的腐蚀[7，8]。

通过该不锈钢管道金相组织分析可知焊接接头中焊缝区、熔合区、热影响区的微观组织界限分明，过热区晶粒粗大，经历的焊接温度较高（高于900℃），处于奥氏体不锈钢固溶温度区，晶界未形成碳化物，未形成晶界贫铬区，微观组织为单一的奥氏体组织。细晶区距熔合线较远，晶粒度与母材相当，经历的焊接温度较低（处于600～900℃），属于奥氏体不锈钢敏化温度区，晶界有碳化物析出，形成晶界贫铬区，故不锈钢管道在此处发生晶间腐蚀断裂。此外，由图4中可进一步得出细晶区晶粒在金相制样浸蚀过程中已发生大量晶粒脱落，表明细晶区不锈钢敏化程度非常严重，必然会发生晶间腐蚀断裂。

3 结论与建议

1）该临氢管道材质为0Cr18Ni9，美标牌号为304；

2）该不锈钢管道焊接接头断裂为晶间腐蚀断裂；

3）焊接热影响区对不锈钢管的敏化作用是导致其发生晶间腐蚀断裂的主要原因；

4）建议不锈钢管在焊接后进行固溶处理以消除其敏化作用，或选择含Ti和Nb的奥氏体不锈钢，以减小发生晶间腐蚀断裂倾向。

[1] GB/T 21433-2008不锈钢晶间腐蚀标准释义[S].

[2] 戴起勋.金属材料学[M].北京：化学工业出版社，2005，123-138.

[3] GB/T 14976-2002 流体输送用不锈钢无缝管[S].

[4] 钟群鹏，赵子华.断口学[M].高等教育出版社，2006，291-295.

[5] 戴永祥，连芳，李吉，等.304不锈钢的晶间腐蚀行为研究[J].轻型汽车技术，2011,(5/6)总261/262：34-37.

[6] 余晓飞.304、306不锈钢晶间腐蚀的实验与理论研究[D].山东济南，山东大学，2007:11-13.

[7] 魏宝明.金属腐蚀理论及应用[M].北京：化学工业出版社，1984，156.

[8] 潘莹，宋维.敏化奥氏体不锈钢的晶间腐蚀研究[J].青岛化工学院学报，1998，19（4）:369-373.

表3 EDS成分分析特征谱线

5 结论

1）该曲轴材料为铁素体球墨铸铁，其断裂属于低应力高周疲劳断裂；曲轴外表面材料硬度偏低是导致疲劳裂纹形成的原因。

2）曲轴内部大量铸造缺陷（气孔）的存在以及硅、硫、磷等杂质元素含量的偏高增加了曲轴的脆性，促进了疲劳断裂过程。

3）金相检验结果表明曲轴外表面石墨球化等级4级，曲轴中部石墨球化等级3级，总体石墨大小等级4级。球化等级略不足，所以可以进行石墨化处理（或者孕育处理）。

参考文献

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[2] 陈黄浦.大型柴油机曲轴断裂失效分析[J].机械工程材料.2007(09).

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[4] 王吉会,李宝银,韩雅静,等.输油船曲轴断裂原因分析[J].金属热处理.2005(03).

[5] 曹庆峰,刘新,王立志,等.球墨铸铁曲轴失效断口微观分析[J].热加工工艺.2008(19).

Failure Analysis on the Welding Joint Fracture of the Hydrogen Pipeline

Zhang Bensuo Xia Mingliu
(Center of Tongling special equipment supervision and Inspection Tongling 244000)

In the present paper, the macroscopic, chemical composition, the microstructure and fracture morphology of fracture of the hydrogen pipelines were measured and analyzed.The results showed that the main reasons of the hydrogen pipelines fracture was intergranular corrosion by sensitization in the heat affected zone.Fracture was a typical rock-candy structure, carbide crystalline region had aggregated with countless carbides, and a great deal of crystalline grain had dropped in metallographic sample preparation.The stainless steel tubes was 0Cr18Ni9(304 stainless steel is USA).

Hydrogen pipeline Intergranular corrosion Failure analysis

X933.4

B

1673-257X(2015)06-72-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.06.016

张本所(1964～), 男,副主任，高级工程师，主要从事特种设备检验检测研究及管理工作。

2014-11-02）