0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管破裂的原因

2018-06-12

腐蚀与防护 2018年5期

(四川建筑职业技术学院，德阳 618000)

某公司输气管项目使用奥氏体不锈钢管，牌号为0Cr18Ni9,型号为DN350，壁厚为5 mm，钢管采用焊接方式连接，焊接工艺为手工电弧焊工艺。该奥氏体不锈钢管内输送介质为含硫化氢等腐蚀介质的富氨液，管内介质压力0.5 MPa，温度35～45 ℃，运行半年后停产半年，复产时即在钢管焊接接头附近发现横向裂纹。为确定裂纹的形成原因，本工作在该奥氏体不锈钢管裂纹附近切取1件试样，对其裂纹形成原因进行了分析。

1 理化检验

开裂奥氏体不锈钢管形貌貌见图1～2。由图1～2可见:焊接热影响区宽度达20 mm，裂纹均产生在焊接热影响区内。

1.1 低倍检验

(a) 外表面

(b) 内表面图1 开裂奥氏体不锈钢管的形貌Fig. 1 Cracking morphology of austenitic stainless steel pipe line: (a) outside surface; (b) inside surface

图2 开裂奥氏体不锈钢管的裂纹放大图Fig. 2 Cracking morphology for enlarged view of austenitic stainless steel pipe line

在奥氏体不锈钢管裂纹附近切取1件纵截面低倍试样，观察钢管的裂纹扩展深度情况及钢管的低倍组织。试样采用50%(体积分数，下同)盐酸水溶液侵蚀后，其纵低倍组织形貌见图3。由图3可见：裂纹是从内表面向外表面逐渐扩展的，除热影响区附近的裂纹外，未见其他不允许的冶金缺陷。

图3 奥氏体不锈钢管的纵低倍组织形貌Fig. 3 Longitudinal macro-structure of austenitic stainless steel pipeline

由图4可见：钢管主裂纹基本呈横向，枝裂纹沿主裂纹两侧，呈网状裂纹扩展。

1.2 化学成分

奥氏体不锈钢管的化学成分分析结果见表1。

图4 奥氏体不锈钢管内表面的裂纹形貌Fig. 4 Crack morphology in inside surface of austenitic stainless steel pipeline

项目wCwSiwMnwPwSwNiwCr实测值0.0660.421.090.0330.000 58.0218.22GB/T 1220-2007≤0.08≤1.0≤2.0≤0.045≤0.038.00～11.0018.00～20.00

由表1可见,各元素含量均符合GB/T 1220-2007标准的要求。

1.3 宏观断口形貌

将裂纹掰开后，裂纹断口宏观形貌见图5。由图5可见:断面上有一层黑灰色的腐蚀产物，但依稀可见断口是呈结晶状的脆性断口。

图5 宏观断口形貌Fig. 5 Macro morphology of the fracture

1.4 金相检验

在低倍试样裂纹处切取高倍试样，磨制其纵向面，在光学金相显微镜下观察，裂纹微观形貌见图6。裂纹呈网状裂纹，经王水溶液腐蚀后在光学金相显微镜下观察，裂纹为沿晶裂纹，见图7。钢管焊缝处显微组织为奥氏体+δ铁素体，熔合线处显微组织为奥氏体，钢管基体显微组织为奥氏体，见图8。钢管基体晶粒度为4.5级，热影响区晶粒度也为4.5级。

图6 裂纹的微观形态Fig. 6 Crack′s microstructure

1.5 扫描电镜分析结果

将奥氏体不锈钢管裂纹掰开后，采用扫描电镜观察断口表面清洗前后的形貌，裂纹断口表面形貌，见图9。由图9可见:整个断面均为冰糖状沿晶断口。腐蚀产物微区成分能谱见图10，以S、Fe、O等元素为主。

图7 裂纹与组织Fig. 7 Crack and micro-structure

2 分析与讨论

该奥氏体不锈钢管在焊接热影响区内产生裂纹，并且焊接热影响区较宽。通常情况下，若焊接过程中产生裂纹，多为焊接结晶时产生的焊接热裂纹，或焊后一段时间产生的焊接冷裂纹[1-5]。而奥氏体不锈钢管开工使用半年后未见裂纹，停工半年后复工时立即发现裂纹，这表明裂纹并非焊接裂纹。

(a) 焊缝 (b) 热影响区 (c) 钢管基体图8 钢管焊缝，熔合线和基体组织Fig. 8 Microstructure of pipeline in weld (a), HAZ (b) and matrix (c)

(a) 清洗前

(b) 清洗后图9 裂纹断口清洗前后的表面形貌Fig. 9 Surface morphology of fracture before (a) and after (b) cleanning

图10 腐蚀产物微区成分能谱Fig. 10 EDS pattern of corrosion products

由裂纹宏观形貌可见，裂纹有主干，有分支，主干裂纹为横向裂纹，裂纹产生在焊接热影响区附近，此处在焊接接头收缩应力下，必然存在轴向的焊接拉伸残余应力；从裂纹断口宏观和微观形貌来看，裂纹断口面上存在腐蚀产物。这表明，该奥氏体不锈钢管既受轴向拉伸残余焊接应力，又受腐蚀作用，因此该奥氏体不锈钢管裂纹为应力腐蚀裂纹[1-2,6]。

由裂纹断面腐蚀产物成分可见，腐蚀产物主要含S、Fe、O等元素；从裂纹断面微观形貌可见，裂纹断口为冰糖状的沿晶断口。这表明，该奥氏体不锈钢管应力腐蚀破裂可能为硫化物应力腐蚀破裂[7]或者连多硫酸应力腐蚀破裂，不是含Cl-的应力腐蚀破裂。而奥氏体组织对硫化物应力腐蚀破裂最不敏感[8-9]，该钢管组织全为奥氏体，对硫化物应力腐蚀最不敏感，产生硫化物应力腐蚀破裂的可能性最小，因此，该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管破裂应为连多硫酸应力腐蚀破裂。

产生连多硫酸应力腐蚀破裂需要介质因素、材料因素和应力因素综合作用，缺一不可[1，10-12]。

(1) 介质因素即钢管内壁存在连多硫酸或连多硫酸盐[H2SxO6(x=2～5)],连多硫酸一般是由空气中的O2、水和金属硫化物发生反应而生成的。反应过程见式(1)～(5)：

(1)

(2)

H2SO3+O2H2SO4

(3)

(4)

(5)

式中:m、n为不定系数，x=2～5[6,11]。

从该奥氏体不锈钢管破裂的情况来看，钢管内介质含硫化氢，在使用过程中硫化氢和管壁的Fe发生反应生成FeS，钢管在停工半年期间，钢管必通风，空气中的O2和水进入管内，必然和管壁内的FeS发生反应生成连多硫酸。因此，该奥氏体不锈钢管破裂具备了连多硫酸应力腐蚀破裂的介质因素。

(2) 材料因素据有关资料介绍，常规碳含量的奥氏体不锈钢在敏化温度(430～815 ℃)区间停留，会对应力腐蚀破裂敏感。该破裂钢管材质为常规碳钢，裂纹位置位于焊缝热影响区内，热影响区必然经过敏化温度区间的短暂停留，即具备了连多硫酸应力腐蚀破裂的材料因素。

(3) 应力因素钢管壁厚5 mm，但焊接热影响区宽度则高达近20 mm，尽管裂纹不是焊接裂纹，但是，焊接热影响区较宽，焊接后由于焊接接头的收缩，热影响区部位必然存在较大的残余轴拉伸应力作用。因此，该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管具备了连多硫酸应力腐蚀破裂的应力因素。

综上所述，该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管同时具备了连多硫酸应力腐蚀破裂的介质因素、材质因素和应力因素，这就进一步证实，该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管破裂为连多硫酸应力腐蚀破裂。

因该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管需焊接，应力因素不可避免，但降低焊接电流，加快焊接速率，减小焊接热影响区的范围，即可降低钢管焊接后的残余焊接应力，从而可降低钢管连多硫酸应力腐蚀的可能性。另一方面从介质因素改进，该奥氏体钢管在使用过程中，不可避免会在内壁产生FeS，在停工时，应用氩气吹扫管内的空气和水分，并立即密封钢管的两端口，避免管内存在空气和水分，即可避免连多硫酸的产生，因此可避免连多硫酸应力腐蚀破裂。事故责任方根据本工作提供的预防措施，钢管停工时，用氩气吹扫管内的空气和水分，并立即密封钢管的两端口，未再出现裂纹事故。