奥氏体不锈钢热裂纹产生原因(0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管破裂的原因)
摘 要:某公司输气管项目使用的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管,采用焊接方式连接,焊接工艺为手工电弧焊,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0.5MPa,介质温度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。通过宏观低倍、微观金相、化学成分分析以及扫描电镜分析等一系列方 法,对该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢裂纹形成原因进行分析。结果表明:该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管的破裂原因为连 多硫酸应力腐蚀破裂,通过向该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管内吹扫氩气,密封两端口,可避免连多硫酸应力腐蚀破 裂。焊接时降低焊接电流,加快焊接速率,减小焊接热影响区的范围,也可降低连多硫酸应力腐蚀破裂的可能性。
关键词:0Cr18Ni9奥氏体不锈钢;沿晶裂纹;连多硫酸应力腐蚀;硫化物应力腐蚀
中图分类号:TG172 文献标志码:B 文章编号:1005-748X(2018)05-0404-04
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5mm,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0.5MPa,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20mm,裂纹均产生 在焊接热影响区内。
1.1 低倍检验
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。
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。
由表1可见,各元素含量均符合 GB/T1220-2007 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。
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。
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。
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。
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):
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5mm,但焊接热影响 区宽度则高达近20mm,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。
3 结论
(1)该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管裂纹为连多 硫酸应力腐蚀裂纹。
(2)向该0Cr18Ni9奥氏体不锈钢管内吹扫氩 气,密封两端口,可避免连多硫酸应力腐蚀破裂。焊 接时降低焊接电流,加快焊接速率,减小焊接热影响 区的范围,也可降低连多硫酸应力腐蚀破裂的可 能性。
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<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 腐蚀与防护 > 39卷 > 5期 (pp:404)>
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