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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