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案例分享:不锈钢管腐蚀开裂分析

2021-06-29 02:11:58 hualin

由于具有优良的耐蚀性,304不锈钢被广泛地用于要求良好综合性能(耐蚀性和成形性)的设备和机件,在化工设备、压力容器等行业应用广泛。某化肥厂硫酸管,用于硫酸泵出口(0.82MPa)与反应器之间连接,该泵流量14m3/h,扬程63m,硫酸浓度为93.5%,使用温度为常温。该管道于2016年更换,在使用两年后,在泵进出口排放管及压力表接口高颈法兰焊接处出现渗液现象。对管壁进行清洗、渗透检测并发现裂纹(见图1)。查阅原始资料,该钢管材质为304不锈钢,管径为DN50,壁厚3.5mm,在焊接后进行渗透检测,结果合格。将该钢管切割取样,经检测发现,渗液处位于焊缝区域并发现裂纹。



图1 硫酸管开裂位置及开裂形貌

为查明不锈钢管腐蚀开裂失效的原因,避免再次发生危险,本文拟对失效钢管件进行化学成分、金相显微及扫描电镜分析,从而得出失效原因,并提出预防措施。

一、试验方法

(1)化学成分分析

采用ARL-4460直读光谱仪分别对不锈钢管的母材及焊缝的化学成分进行检测,确定化学成分是否符合标准要求。

(2)金相显微分析

从渗液处(见图1c)截取试样,试样包括母材、焊缝和热影响区,对试样进行预磨、粗磨、精磨和抛光,使用OLYMPUS-GX51金相显微镜对试样进行非金属夹杂物观察,之后用三氯化铁盐酸水溶液对其浸蚀,在金相显微镜下对试样进行组织观察(见图2)。


图2  金相试样

(3)扫描电镜分析

利用液压钳将试样沿裂纹撕开,采用日立S-3400热场发射扫描电子显微镜对试样开裂面进行扫描观察,并利用EDAX能谱仪进行能谱分析。

二、结果与讨论

(1)化学成分分析

表1为不锈钢管母材及焊缝处化学成分。由表1可知,该公司所采购的不锈钢管化学成分与标准相比,母材和焊缝金属的化学成分Cr含量偏低,其他元素含量符合标准要求。Cr是不锈钢中耐腐蚀的主要元素,Cr含量偏低,会使不锈钢的耐腐蚀性能下降。

表1 不锈钢管材料的化学成分(质量分数)  (%)


(2)金相显微分析

先对试样进行机械抛光,未经浸蚀,在显微镜下观察试样的非金属夹杂物分布情况。通过观察发现,非金属夹杂物较少,但存在单颗粒大尺寸夹杂物,评级为Ds2(见图3a)。非金属夹杂物的存在会破坏基体的连续性,降低其力学性能,从而使基体更容易断裂。非金属夹杂物会使不锈钢基体表面生成的钝化膜(氧化膜)变薄,造成非金属夹杂物与基体结合的部位先受到腐蚀,然后界面处的局部腐蚀会向基体扩展,从而造成点蚀。非金属夹杂物的存在也容易使晶界脆化导致晶间腐蚀,致使耐腐蚀性能下降。



图3  试样断裂处腐蚀后显微组织

对抛光好的试样进行化学浸蚀,在金相显微镜下对其进行组织观察。图3b所示为试样的母材显微组织照片,组织为单相奥氏体(有孪晶),晶界未见异常,金属平均晶粒度为7级。图3c所示为熔合区显微组织(左侧焊缝,右侧热影响区),该区域组织正常,熔合完好,无裂纹、气孔,无其他焊接缺陷。在裂纹附近(焊接热影响区)进行金相显微组织观察,如图3d所示。清晰可见沿晶界分布的显微裂纹,并存在网状颗粒Cr的碳化物,从而形成贫铬区,如图4所示。当铬含量(质量分数)>12%时,钝化效果明显,可显著提高不锈钢的耐腐蚀性能,当铬含量<12%时,钝态受到破坏,电位下降,而晶内仍保持钝化状态,从而构成了小阳极(晶界区的贫铬区)和大阴极(基体)的微电偶电池,加速了晶界的腐蚀。

Cr23C6碳化物析出的温度为450~850℃,这是不锈钢晶间腐蚀的敏化温度范围,也称为危险温度范围。以上形貌特征表明,该区域在焊后存在敏化现象,导致焊缝热影响区出现晶间腐蚀,使不锈钢热影响区耐晶间腐蚀性下降,这是引起不锈钢管开裂的原因之一。

(3)断口扫描观察

将加工好的断口试样置入扫描电镜内,利用二次电子成像进行微观观察、分析。如图4所示,可以发现断口高低不平,存在许多腐蚀产物和裂纹,裂纹呈树枝状分布,此类裂纹特征为二次裂纹,并且裂纹已经深入到材料基体内部。这些特征表明,该304不锈钢管的破坏为应力腐蚀开裂。不锈钢的导热性能差,钢管在焊后由于高温产生残余应力,不锈钢管在受到腐蚀后产生的腐蚀微裂纹,在残余应力作用下,扩展速率加快,形成应力腐蚀开裂。

图4  扫描电镜断口形貌观察

(4)能谱分析

利用能谱仪分析不锈钢管断口表面的腐蚀产物,图5为能谱分析结果。从衍射峰谱图上可以直观地看出,氯含量很高,说明该不锈钢管处于含氯的腐蚀环境中。该化肥厂开裂失效钢管置于露天环境,厂址地处沿海地带,距海岸仅1.1km,属于典型的海洋大气环境。在温度湿度较高时,大量海水蒸发产生盐雾现象,致使空气中含有较高的氯离子,含有氯离子的水分吸附到不锈钢管的外壁,形成腐蚀性介质,对不锈钢管不断腐蚀。奥氏体不锈钢在普通大气环境中,表面会形成致密的钝化膜(氧化膜),此钝化膜隔绝了大气与不锈钢表面直接接触,对不锈钢具有保护作用,使其具有优良的耐腐蚀性能。即使钝化膜被破坏,也会及时再生、修复。而氯离子极容易破坏奥氏体不锈钢的钝化膜,在表面形成点蚀或蚀坑,加速不锈钢的腐蚀。


三、结束语

本案例的不锈钢腐蚀开裂不能将原因简单地归于某一方面,而是在多种因素共同作用下,使不锈钢管产生开裂。

(1)非金属夹杂物会破坏金属表面钝化膜的完整性,使不锈钢的耐腐蚀性能降低,因此应严格控制非金属夹杂物等级在1.5级以下。

(2)母材及焊缝金属中Cr含量偏低,贫Cr使不锈钢表面铬的钝化膜致密性降低。因此,应提高钢管及焊材质量要求,对入厂成分进行严格检测,确保焊缝金属成分不弱于母材。在焊接过程中应严格控制焊接参数,尽量采用小焊接热输入量,防止发生敏化而导致Cr沿晶界析出生成Cr23C6,避免不锈钢产生晶间腐蚀。

(3)化肥厂处于海洋大气环境,空气中的氯离子含量较高,并有适宜的加速腐蚀的温度和湿度,导致不锈钢表面的氧化膜易被破坏,从而使不锈钢表面产生电化学腐蚀,腐蚀微裂纹在残余应力的作用下加速扩展,引起应力腐蚀开裂。因此,应严控现场空气环境,将盐雾环境进行隔离(如涂装或加保护层),防止氯离子的破坏作用。

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