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不锈钢管开裂原因的分析

发表时间:2019-04-19 00:00



为了分析304不锈钢管开裂的原因,对开裂钢管进行成分分析和金相检测,同时对钢管中的水质进行分析。结果表明:此裂纹为应力腐蚀裂纹;在60~120℃温度环境下使用时,钢管中水质的氯离子含量及总硬度严重超标是导致不锈钢管在应力处发生应力腐蚀断裂的主要原因。

应力与环境腐蚀协同作用下引起金属开裂(或断裂的现象)叫做应力腐蚀开裂(SCC)。发生应力腐蚀开裂必须有2个条件存在即应力和腐蚀介质。应力腐蚀是不锈钢重要失效形式之一,典型的应力腐蚀裂纹呈树枝状。不同腐蚀介质环境下不锈钢的应力腐蚀行为研究是不锈钢腐蚀研究的1项重要内容。作为典型的不锈钢应力腐蚀重要因素之一,Cl-离子对奥氏体不锈钢应力腐蚀行为的影响更是被人们广泛地研究。由于不锈钢在实际应用中经常处于变温的腐蚀介质中,温度对于不锈钢腐蚀的影响倍受关注,成为不锈钢腐蚀研究的1项不可或缺的重要内容。304不锈钢是非稳态奥氏体,在一定温度或一定水质环境下会发生应力腐蚀,由于应力腐蚀属于缓慢性腐蚀,因此,也是不锈钢中最常见的腐蚀,并且是造成不锈钢成套设备发生事故的最主要的腐蚀。本文结合实际例子,说明不锈钢发生应力腐蚀开裂的过程以及对设备造成的危害,分析了其产生的原因,找出合理的方法避免发生应力腐蚀开裂。

1试验对象与研究方法

1.1试验对象

售往某公司的304钢卷在冷加工制成螺旋管换热器使用半年后发生了开裂,管中通水和油,如图1所示。

缺陷件厚约4mm,在两面均发现大量裂纹,裂纹发生在水油相交的位置附件,裂纹略呈锯齿状,并呈断续分布,且有的已呈穿透性裂纹。在裂纹附近有大量腐蚀坑,显微镜上放大观察,见图2,裂纹呈树枝状,与应力腐蚀裂纹示意图相似。

1.2研究方法

取开裂样1条,进行成分分析、金相分析。成分分析在美国热电直读光谱仪上进行。对管中的水样进行水质分析,包括氯离子、含盐量等指标进行分析。研磨抛光后的金相试样进行裂纹处微观形貌分析,以及用硝酸加硫酸加氯化铁混合溶液腐蚀后,在蔡司金相光学显微镜下观察组织形貌。

2试验结果与讨论

2.1成分分析结果

对加工前和加工后的试样进行成分分析,分析结果表明加工前和加工后成分没有变化,结果见表1。

2.2水质分析

按照GB50050—2007的规定,对于不锈钢换热设备,要求在使用过程中循环冷却水出水温度小于45℃时,管内壁温度不大于70℃时,氯离子质量浓度不大于700mg/L,总硬度不大于1100mg/L;当冷却水大于45℃,管内壁温度大于70℃时,要求总硬度小于200mg/L,对氯离子没有要求。在调查过程中发现,此不锈钢换热设备在使用过程中其冷却水温度基本介于60~120℃,对采集的水样进行分析,结果显示氯离子的质量浓度为408.95mg/L,总硬度达到1065.96mg/L,显然总硬度超标。GB50050—2007虽然对于氯离子的要求没有提到,但是在GB50050—1995中明确提出,氯离子质量浓度要不大于300mg/L,显然按GB50050—1995标准判断,此次水质中实测氯离子质量浓度大大超标。

2.3金相分析结果

图3为螺旋板换热器上部焊缝至定距柱与板焊缝间的切割面显微特征。从图3可以看出:裂纹起始于水面,向油面延伸扩展,主要集中在上部焊缝附近的循环水和水蒸气界面附近以及定距柱与板焊缝附近。图中小箭头的密集程度代表其数量和严重性。从图3可以看出,分布于焊缝附近的大量裂纹从水面的腐蚀沟向油面延伸扩展,呈“干树枝”状,裂纹边缘有的呈锯齿状,有的已呈穿透型裂纹,属应力腐蚀裂纹。树枝状裂纹是不锈钢在氯离子环境下应力开裂的典型特征。

对缺陷试样进行腐蚀后的金相组织,如图4所示。图4为缺陷件切割面显微组织特征,从图中可以看出:裂纹位于焊缝热影响区或附近,属于穿晶裂纹。

3分析与讨论

此案例的不锈钢应力腐蚀不能简单地归咎于某一方面的原因,在设备设计过程中还应该考虑其各方面的因素,如水质、温度、设备结构等。此案例中用不锈钢制成换热器,一边通水、一边通油,由于介质和温度不同,经过长期的冷热交换,应力比较大。设计时肯定考虑过水质的影响,但是不能单纯以对腐蚀介质的限定含量或介质纯净度的要求来替代对SCC的全面控制,而忽略了温度、结构、应力、使用一定时期内介质的变化等等因素。

奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂主要是介质与应力的合力,最主要的介质为氯离子和介质中的总盐量;应力腐蚀裂纹多发生在不锈钢的焊接区域,因为此区域的应力大(有焊接残余应力),在一定的介质环境下容易出现应力腐蚀裂纹。例如,304不锈钢管焊接成冷凝设备(内接冷凝管)时就出现了应力腐蚀裂纹,如图5所示,裂纹发生在焊缝附近,裂纹呈树枝状,如图6所示。因此,对于不锈钢设备在介质中使用,一定要考虑介质和应力对不锈钢的影响,不能在质量浓度超标的介质中使用,对于应力较大的设备应经过应力退火处理,特别是不锈钢焊接设备。

4结语

1) 通过对304不锈钢管裂纹处金相分析,发现不锈钢发生了应力腐蚀,从而导致了产品的开裂,开裂处裂纹呈“干树枝”状;

通过对水质的分析以及结合现场使用环境,结果表明在高温下水质中的氯离子质量浓度和水质的总硬度超标是导致此次产品发生应力腐蚀开裂的主要原因。

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