304不銹鋼管裂紋性質(zhì)及原因分析
浙江至德鋼業(yè)有限公司通過對工程試樣進行理化分析,研究奧氏體不銹鋼壓縮空氣管母材裂紋性質(zhì)及其產(chǎn)生的原因。結(jié)果表明,管材外表面母材局部區(qū)域存在嚴重的晶間腐蝕;裂紋起裂于晶間腐蝕區(qū)域,且沿晶開裂,斷口形貌為脆性沿晶斷口,據(jù)此判斷裂紋是由晶間腐蝕導致。焊接熱循環(huán)使得管材局部區(qū)域產(chǎn)生敏化處理,管材未進行固溶處理,管材運行環(huán)境中存在氯離子等腐蝕性元素,以及管材鉻、鎳和碳含量不符合奧氏體不銹鋼標準要求是導致裂紋產(chǎn)生的主要原因。
一、項目背景
以鉻、鎳為主要合金元素的奧氏體不銹鋼是不銹鋼中生產(chǎn)量最大、應用最廣泛的一種耐酸鋼,約占不銹鋼總產(chǎn)量的70%,其基本型是Cr18Ni8~10。奧氏體不銹鋼的最大問題是局部腐蝕,包括晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕破裂。局部腐蝕嚴重影響設備的穩(wěn)定運行,對設備安全性造成很大的隱患。某LNG電站機組投產(chǎn)至本次停機,共運行近5萬小時。其壓縮空氣管材質(zhì)為304不銹鋼管,規(guī)格為70×10mm。其結(jié)構(gòu)為兩根直管,中間由一段90°彎頭連接,如圖所示。運行中發(fā)生泄漏,停機檢查發(fā)現(xiàn)管道彎頭處存在多處裂紋,裂紋均位于距離焊縫10mm左右的彎頭側(cè)母材區(qū)域。
二、理化試驗
1. 化學成分分析
對304不銹鋼彎頭母材和焊縫進行化學成分分析,分析結(jié)果見表。結(jié)果顯示,母材成分鉻和鎳含量低于標準要求值。
2. 金相觀察
對試樣焊縫和熔合線金相觀察,焊縫金相組織為枝狀奧氏體,組織正常,如圖所示。對試樣腐蝕前進行金相觀察,外壁存在晶間腐蝕,部分晶粒脫落,內(nèi)壁觀察無晶間腐蝕現(xiàn)象,試樣熔合線金相組織如圖所示。腐蝕后進行金相觀察,母材處均存在大量的李晶位錯,試樣內(nèi)壁無晶間腐蝕圖所示。對裂紋尖端進行觀察,裂紋沿晶開裂。
3. 斷口分析
對2#試樣斷口分析,如圖所示。斷口呈冰糖狀,裂紋為脆性。
4. 能譜分析
對試樣試裂紋進行能譜分析,結(jié)果見圖。裂紋析出物主要為鉻、鎳的氯化物和硫化物。
三、裂紋性質(zhì)分析
通過試驗分析和304不銹鋼管工作環(huán)境分析,該裂紋屬于晶間腐蝕導致的沿晶開裂裂紋。
管子外壁局部存在嚴重的晶間腐蝕現(xiàn)象晶間腐蝕是指在某些腐蝕介質(zhì)中,晶粒間可能先行被腐蝕,使晶粒之間喪失結(jié)合力的局部破壞現(xiàn)象。在對晶間腐蝕材料作斷面金相檢查時,可發(fā)現(xiàn)晶界或毗鄰區(qū)域發(fā)生局部腐蝕,甚至晶粒脫落,腐蝕沿晶界發(fā)展推進較為均勻。
至德鋼業(yè)對本試樣進行金相觀察發(fā)現(xiàn),該壓縮空氣管外表面局部存在嚴重的晶間腐蝕現(xiàn)象,且部分晶粒脫落,而內(nèi)表面無晶間腐蝕現(xiàn)象。裂紋斷面金相顯示,裂紋主要沿晶界擴展,由外表面向內(nèi)表面擴展。斷口掃描電鏡觀察,斷口呈冰糖狀,為脆性沿晶斷口。
裂紋不具有應力腐蝕裂紋的特征金屬材料在應力(拉應力)和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下,經(jīng)過一定時間后出現(xiàn)低于材料強度極限的脆性開裂現(xiàn)象,致使金屬材料失效,這種現(xiàn)象稱為應力腐蝕開裂。
該壓縮空氣管暴露于空氣中運行,空氣中含有氯離子等腐蝕性元素,具備應力腐蝕開裂的腐蝕介質(zhì)條件;但從裂紋形貌上看,并未發(fā)現(xiàn)裂紋分叉形貌,且從管橫截面看,除貫穿型裂紋外,304不銹鋼彎頭表面上幾乎均有腐蝕深度接近的裂紋。這些特征,均不是應力腐蝕裂紋的特征,因此該裂紋不是應力腐蝕裂紋。
四、裂紋原因分析
1. 304不銹鋼彎頭母材化學元素含量偏差導致晶間腐蝕情況
不銹鋼在弱氧化性介質(zhì)中發(fā)生的晶間腐蝕,可以用貧鉻理論同解釋。碳在奧氏體中的飽和溶解度小于0.02%,一般不銹鋼的含碳量都高于這個數(shù)值。當不銹鋼從高溫冷卻下來時,碳處于過飽和。受到敏化處理時,碳和鉻形成碳化物在晶界析出。由于碳化鉻含鉻量很高,而鉻在奧氏體中擴散速率很低,這樣就在晶界兩側(cè)形成了貧鉻區(qū),其含鉻量低于12%(質(zhì)量分數(shù)),因而鈍化性能與晶粒不同,即晶界區(qū)和晶粒本體有了明顯差異。
通過對試樣化學元素分析,該彎頭試樣母材的鉻、鎳含量均低于標準要求值,而碳含量高于標準要求值。
18-8型奧氏體不銹鋼在鉻、鎳含量分別為18%和9%時,有利于得到單相奧氏體組織及提高鋼的電極電位,二者的含量對不銹鋼的耐蝕性有很大影響。碳對不銹鋼的耐蝕性有重要影響,當不銹鋼中的含碳量增高時,則以碳化物的形式析出,一方面增加鋼中微電池的數(shù)目,同時也減少基體中的含鉻量,使其電極電位降低,從而加劇鋼的腐蝕。如果鉻碳化物沿晶界析出,將使晶界附近基體中的含鉻量減少,電極電位降低,從而導致晶間腐蝕。因此奧氏體不銹鋼中含碳量應小于0.1%。
2. 焊接導致奧氏體不銹鋼局部發(fā)生敏化處理
實踐表明,不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的熱處理以后發(fā)生的,這種熱處理造成了不銹鋼晶粒和晶界的顯著差異,從而產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。當不銹鋼在弱氧化性介質(zhì)中使用時就會發(fā)生晶間腐蝕。使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理即敏化熱處理,奧氏體不銹鋼的敏化熱處理溫度范圍為450~850℃。
當奧氏體不銹鋼在這個溫度范圍較長時間加熱(如焊接)或緩慢冷卻,就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。含碳量較高的奧氏體不銹鋼受到敏化處理時,應進行固溶處理,即在1050~1100℃加熱,使碳化鉻溶解,迅速淬冷,通過敏化加熱溫度區(qū),不使碳化鉻再析出,以消除晶界貧鉻區(qū)。
奧氏體不銹鋼在進行氣焊或電弧焊等工藝時,焊接接頭附近(450~850℃區(qū)域)易發(fā)生晶間腐蝕。該試樣裂紋均產(chǎn)生于焊縫附近,且該焊縫存在補焊區(qū)域,多次焊接熱循環(huán)導致接頭附近溫度達到敏化熱處理溫度;且在金相組織觀察下,彎頭母材存在大量的攣晶組織,說明該彎頭在出廠時并未進行固溶處理,從而導致焊接接頭附近的母材局部發(fā)生敏化處理。
五、總結(jié)
1. 該奧氏體不銹鋼裂紋性質(zhì)為晶間腐蝕導致的開裂。彎頭母材外表面局部區(qū)域可以觀察到嚴重的晶間腐蝕,裂紋起裂于晶間腐蝕區(qū)域,且沿晶開裂,斷口形貌呈冰糖狀,均符合晶間腐蝕開裂的特征。
2. 空氣中存在氯離子等腐蝕性離子,管材鉻、鎳含量偏低,碳含量偏高,使得304不銹鋼管的耐蝕性降低;304不銹鋼彎頭出廠時未進行固溶處理,導致焊接接頭附近的母材局部發(fā)生敏化處理,促進了晶間腐蝕的產(chǎn)生。
3. 焊接熱循環(huán)導致不銹鋼局部發(fā)生敏化處理,且304不銹鋼彎頭管材在出廠時未進行固溶處理,鉻以碳化物形式在晶界處析出,導致晶界貧鉻,使彎頭側(cè)焊縫附近的母材產(chǎn)生晶間腐蝕,進而形成宏觀裂紋。
本文標簽:304不銹鋼管
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