张拥军 陆 频 赵秀青

（上海宝钢工业检测公司)

不锈钢管道开裂原因分析

张拥军*陆 频 赵秀青

（上海宝钢工业检测公司)

采用断口宏观观察、扫描电镜微观分析、化学成分分析、低倍酸蚀、金相等方法，系统分析了不锈钢管道渗漏的原因。结果表明：来样不锈钢管道的化学成分不符合设计要求，材料中存在夹杂缺陷，抗腐蚀性较差，致使管道在应力腐蚀介质环境下裂纹萌生并扩展贯穿壁厚，发生应力腐蚀开裂，这是导致不锈钢管道发生渗漏的主要原因。

不锈钢管道 应力腐蚀 裂纹 渗漏 弯管 焊接

1 情况简介

某树脂公司的管线装置在使用中弯管及管道多处发生渗漏。于是，该公司来样送检。经了解，来样为不锈钢的焊接弯管组件，设计要求的管道材料为美国牌号304不锈钢，管道处于露天的工作环境，管外壁有保温层保护，管内物料的工作温度为70℃，压力＜8×105Pa，流速为0.5 m/s，工作时管内物料不会发生凝固，但在常温下管内物料会发生凝固。

2 宏观检查

将来样弯管外表面补漏的抱箍和橡胶去除后发现，渗漏主要发生在弯头处，靠近焊缝部位，渗漏处及其附近管子外表面颜色较深，有大量点腐蚀凹坑，其外观形貌见图1、图2。对弯管焊缝进行表面渗透探伤检查，未发现裂纹性缺陷。

图1 管子表面形貌

图2 弯管表面腐蚀形貌

将来样对剖，用丙酮清洗后观察其内壁形貌：弯管两侧的直管内壁较为光洁，内壁局部有少量较浅的腐蚀斑，无点蚀凹坑及裂纹缺陷；而弯管内壁一侧焊缝附近存在较浅的腐蚀斑及微裂纹，经砂纸打磨后腐蚀斑底部未发现点蚀凹坑；内壁其他部位较为光洁，无腐蚀斑、点蚀凹坑及裂纹。弯管内壁的外观形貌见图3。

图3 弯管内壁腐蚀斑及裂纹放大形貌

3 渗透探伤

为了进一步了解弯管内壁裂纹分布及扩展的情况，手工用砂纸打磨后对弯管内壁进行渗透探伤，结果发现，除原已发现的内壁裂纹外，在腐蚀斑处也存在裂纹，见图4。

图4 腐蚀斑处裂纹放大形貌

4 低倍检查

将弯管来样整体热酸侵蚀后，进行低倍检查，结果发现弯管补漏部位的外壁及其附近 （与弯管对焊的直管近焊缝部位）出现大量的细微裂纹，裂纹数量较多，起源于点蚀坑底部，呈树叉枝状分布。截取弯管壁厚截面观察发现，裂纹由点蚀坑底部向内壁扩展。除表面裂纹外，弯管内壁一侧焊缝附近（宏观检查中内壁腐蚀斑及裂纹部位）出现多条斜向平行分布的细裂纹，其壁厚截面显示，裂纹由内壁向外壁扩展，部分裂纹已贯穿至外壁，其形貌见图 5～图 8。

图5 酸蚀后泄漏外表面裂纹形貌

图6 酸蚀后泄漏点外壁裂纹形貌

图7 内壁平行细裂纹形貌

图8 壁厚截面处裂纹分布形貌

5 化学成分分析

来样管子的化学成分检验结果见表1。参照委托方设计要求的美国AISI标准中304不锈钢的成分要求，来样管子的化学成分不符合设计要求。

表1 来样管化学成分检测结果

6 冶金质量检查

采用线切割的方法，分别取弯管及直管的纵截面，按照GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》，对来样管子原材料中的夹杂物类别及数量进行分析评级，结果发现，弯管中存在大量的氮化钛非金属夹杂物。 非金属夹杂物分析结果见表2。夹杂物形貌见图9。

表2 非金属夹杂物分析结果

图9 弯管夹杂物形貌

7 微观组织分析

用线切割方法，分别在弯管的焊缝部位及裂纹部位、直管任意部位取样进行显微组织分析。结果发现，弯管补漏部位的内外壁均存在裂纹，外壁裂纹起源于点蚀坑底部，呈树枝状分布，内壁裂纹起源于内壁焊缝附近的腐蚀斑处，大多平行斜向分布，存在分叉，大多为穿晶裂纹，内外壁的部分裂纹已贯穿相通；裂纹主要集中分布在弯管一侧近焊缝区域，内外壁裂纹均具有应力腐蚀裂纹的特征。弯管及直管母材的金相组织均为孪晶奥氏体。其组织形貌见图10。

图10 弯管组织形貌

8 扫描电镜能谱分析

将弯管裂纹样清洗后置于扫描电镜下进行能谱分析，结果见表3。

表3 弯管内壁能谱分析

9 分析与讨论

渗漏主要发生在弯管焊缝附近。对其渗透探伤、低倍酸蚀检查的结果是：弯管焊缝附近渗漏部位及其附近外壁存在颜色较深的腐蚀斑和大量较为严重的点腐蚀凹坑，腐蚀斑和点腐蚀凹坑底部存在向内壁扩展的裂纹，部分裂纹已扩展至外壁；内壁较为光洁，无点蚀凹坑，但弯管一侧焊缝附近存在腐蚀斑和微裂纹；微裂纹主要分布于弯管拉应力较高的区域，裂纹基本斜向平行分布，先垂直于管壁，然后分叉向外壁扩展；内外壁裂纹均具有应力腐蚀裂纹特征。

对弯管的理化检验发现，来样弯管的化学成分不符合设计要求的美国AISI标准中304不锈钢材料的化学成分，材料中主要的抗腐蚀元素铬含量偏低，同时组织中存在大量的脆性氮化钛非金属夹杂物。含钛的奥氏体不锈钢材料其在钢中加入钛的目的是让碳优先与钛结合成TiC，不再与铬化合成Cr23C6，从而起到防止晶间贫铬，抑制晶间腐蚀的发生，提高材料抗晶间腐蚀能力的作用。而来样弯管中的钛与氮结合，未达到奥氏体不锈钢加钛的目的，反而产生了大量脆性的氮化钛非金属夹杂物。这样的管道在加工及使用中，易在夹杂物周围产生应力集中，使其成为裂纹的发源点。其内外壁裂纹发生的部位也是弯管拉应力较高的区域 （离焊缝较近）。能谱分析发现，内外壁腐蚀斑及裂纹中均存在硫、氯等腐蚀性元素。使用中在工作应力、腐蚀介质的共同作用下，在材料最薄弱的部位首先产生裂纹，然后裂纹在腐蚀介质的作用下迅速扩展，最终贯穿管壁，发生应力腐蚀开裂，导致管道渗漏失效。

10 结论

（1）对照美国AISI标准，来样弯管的化学成分不符合设计要求的AISI标准中304不锈钢的成分。

（2）弯管外壁存在腐蚀斑及较为严重的点腐蚀凹坑，腐蚀斑及点蚀凹坑底部存在向内壁扩展的裂纹，裂纹呈树枝状，具有应力腐蚀裂纹特征。

（3）弯管内壁存在腐蚀斑及微裂纹，微裂纹基本平行且斜向分布，主要集中在焊缝附近及弯管拉应力较高区域，部分裂纹与外壁点蚀凹坑底部的裂纹相通，裂纹有较多分叉，具有应力腐蚀裂纹特征。

（4）弯管及其两侧的直管母材的金相组织为孪晶奥氏体，弯管的组织中存在大量脆性氮化钛非金属夹杂物，按照GB/T 10561—2005夹杂物评价标准评为D3.0级。来样弯管及其组件的化学成分不符合设计要求，弯管的材料中存在缺陷，抗腐蚀性较差，在残余的焊接应力和工作应力的共同作用下导致弯管发生应力腐蚀开裂。

11 建议

（1）加强对原材料的质量检验，从源头控制不合格材料的混入。

（2）在管子的焊接过程中，采取有效的措施，尽量降低或消除焊接引起的组织应力和热应力，同时做好管子的防腐及外保护工作，保持管子表面清洁，防止雨水等渗入对管子造成腐蚀伤害。

（3）对使用环境中腐蚀性介质的渗入加以控制。

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Cracking Analysis of Stainless Steel Pipe

Zhang Yongjun Lu Pin Zhao Xiuqing

The leakage cause of stainless steel pipe was systematically analyzed by fracture macroobservation,SEM,chemical analysis,acidmacro-etching,metallurgical phase analysis,etc.The results showed that the chemical composition of sample was not in accordance with the design requirement,and inclusion defect existed in the material with poor corrosion-resistance.In stress corrosion environment,the cracks formed,expanded and went through the wall.Consequently,stress corrosion cracking happened,which resulted in the leakage of pipe.

Stainless steel pipe;Stress corrosion;Cracking;Leakage； Elbow； Welding

TQ 050.9

*张拥军，男，1962年生，工程师。上海市，201900。

2011-07-11）