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(国网浙江省电力有限公司 电力科学研究院，杭州 310014)

某燃机电厂天然气输送管道的一只304不锈钢三通管发生开裂并泄漏，导致机组非正常停机，给公司造成了不小的损失。为杜绝此类事故的再次发生，保证机组的安全稳定运行，本工作对开裂的304不锈钢三通管进行了研究，以期找出产生裂纹的原因，并给出相应的预防及改善措施。

1　理化检验

1.1　宏观形貌分析

泄漏三通管的内径约为74 mm，壁厚为8 mm，其中部有一条长度约为8 cm的裂纹，裂纹周围区域的管体并无明显异常，见图1。利用线切割对三通管样品进行了加工，获取了主要的开裂部分以观察其内表面形貌。由图2可见:裂纹已经在壁厚方向上穿透了整个三通管的壁面。裂纹的部分边缘区域呈现出棕黄色的锈蚀痕迹。经测量，内表面上的裂纹长度约为9 cm，略大于外表面上的裂纹长度。

图1　三通管外表面的宏观形貌Fig. 1　External surface macroscopic morphology of the three-way pipe

同时，采用ZEISS Stemi 2000-C型体视显微镜对三通管的断口进行了宏观检查，典型的断口宏观形貌如图3所示。断口整体并不十分平整，略有起伏，塑性变形很小。在断口的内表面侧(图3中的左侧)存在不少棕黄色的锈蚀区域，不同锈蚀区域的锈蚀程度略有不同。而在其外表面侧(图3中的右侧)则不存在类似区域，这与内侧的形貌形成了鲜明对比。

图2　三通管内表面的宏观形貌Fig. 2　Internal surface macroscopic morphology of the three-way pipe

(a)　断口

(b)　锈蚀区域图3　三通管断口的宏观形貌Fig. 3　Fracture morphology of the three-way pipe:(a)fracture; (b)corroded area

1.2　化学成分分析

三通管样品的化学成分复核工作在SPECTRO TEST型直读光谱仪上完成，结果列于表1中。参考GB/T 12271-2008及GB/T 222-2005对06Cr19Ni10不锈钢(即304不锈钢)的成分要求，三

表1　三通管的化学成分Tab. 1　Chemical composition of the three-way pipe　%

通管中的铬和镍的含量略低于标准值，但仍然位于成品钢化学成分允许偏差之内，而其他元素完全符合标准。因此，可以认为三通管的化学成分符合304不锈钢的要求，厂家提供的材质信息正确。

1.3　力学性能分析

根据GB/T 228.1-2010，从三通管上取样在万能试验机上进行了室温拉伸试验，结果如表2所示。从表中可以看出，三通管的抗拉强度、规定非比例延伸强度以及断后伸长率均符合GB/T 12271-2008中对06Cr19Ni10不锈钢(即304不锈钢)的要求，力学性能合格。

表2　三通管的力学性能Tab. 2　Mechanical properties of the three-way pipe

1.4　金相分析

利用ZEISS Axiovert 200型光学显微镜观察了三通管裂纹及其附近区域的金相组织，如图4所示。三通管的金相组织为奥氏体，晶粒呈长条形，组织中未见明显的老化或晶间腐蚀的迹象。裂纹在扩展时并非沿着单一方向，而是不断分叉形成了许多支裂纹。这说明裂纹在扩展时，在某一方向的扩展速率较快，而在其他方向的扩展速率较慢。

1.5　扫描电子显微镜及X射线能谱分析

将断口样品经超声清洗后,采用ZEISS EVO18型扫描电子显微镜(SEM)观察断口微观形貌见图5。从图中可以看出，在断口靠近内表面一侧的锈蚀区域内存在为数众多且面积较大的泥状花样腐蚀产物以及一些微小的腐蚀坑。在众多的泥状花样区域中选取了一处进行了X射线能谱(EDS)分析，分析区域及分析结果如图6及表3所示。结果显示，泥状花样腐蚀产物中有氯离子及硫离子的存在，且氧元素的质量分数高达30.98%，证明泥状花样腐蚀产物是以铁的氧化物为主。

(a)　裂纹起始处

(b)　分叉状裂纹图4　三通管的光学显微组织Fig. 4　Optical microstructures of the three-way pipe:(a) origin of the crack; (b) biforked crack

(a)　边缘的泥状花样

(b)　中部的泥状花样图5　三通管的SEM微观形貌Fig. 5　SEM microstructure of the three-way pipe:(a) mud patterns at the edge;(b) mud patterns at the center

(a)　分析区域

(b)　分析结果图6　EDS分析结果Fig. 6　Analysis results of EDS: (a) analysis area;(b) analysis result

wCwOwSwClwFe6.3830.980.531.0261.09

2　分析与讨论

2.1　失效原因分析

本次出现裂纹的304不锈钢三通管是天然气输气管道的一个部件，平时常温运行，运行温度较低，受力较小，因此可以排除过热裂纹或热疲劳裂纹的可能性。从上述试验结果来看，在三通管内侧存在为数不少的腐蚀区域并且内壁上的裂纹长度大于外壁的，这表明裂纹是在管壁内侧的腐蚀区域形成并逐渐向管壁外侧扩展直至穿透整个壁面的。此外，光学显微镜观察到裂纹呈现分叉状，SEM在断口发现了数量众多并且面积较大的泥状花样腐蚀产物，EDS分析证实泥状花样腐蚀产物内包含质量分数高达1.02%的氯离子。上述三点使得三通管的裂纹同时具备了应力腐蚀开裂的三大特征。因此综合来看，可以判定本次事故是304不锈钢三通管应力腐蚀开裂而引起的。

应力腐蚀开裂是一种成因较为复杂的失效形式，必须同时具备材料、应力以及环境三个因素才能发生，缺一不可。发生泄漏的三通管材质为304不锈钢,该种材料因具备较好的抗腐蚀性能和加工性能得到了大规模的运用，但304不锈钢的应力腐蚀开裂敏感性较高，对其发生应力腐蚀开裂的报道已不在少数[1-2]。三通管与天然气管道的连接形式为焊接加工，而焊接接头由于受热不均匀，冷却后会在内部形成残余应力，其中一些区域肯定会承受拉应力，这为应力腐蚀开裂埋下了较大的隐患。除了焊接残余应力，金光熙等[3]研究发现:304不锈钢中的部分奥氏体组织会在冷加工过程中转变为马氏体，引起组织不均匀的体积变化从而在材料内部形成很大的残余应力。这些马氏体组织还会在裂纹扩展过程中选择性溶解，成为裂纹扩展的活性通道[4]，因此危害很大。作为锻件的三通管当然也面临着这种风险。该三通管是天然气输送管道的一部分，工作时处于一个相对封闭的独立环境中，按理应不易形成含量较高的氯离子的腐蚀环境。但天然气均不可避免地含有一定量的氯[5]，当天然气中的氯在管内壁表面的液膜不断累积就会慢慢形成一个氯离子含量较大的腐蚀环境。氯离子首先会破坏金属表面致密的Cr2O3钝化膜而形成点蚀，随后在拉应力的作用下，以点蚀坑为裂纹源形成开裂[6]。周宅忠[7]的研究表明,304不锈钢易于在50～150 ℃且氯离子质量分数为0.05%～1.00%的条件下发生应力腐蚀开裂，这与EDS分析结果中氯含量以及三通管所处的实际工况较为吻合。

2.2　预防及改善建议

应力腐蚀开裂的形成需要材料、应力及环境三方面因素共同作用，预防及改善措施也应从这三个方面着手。首先，可将氯脆倾向较大的304不锈钢替换为不易发生应力腐蚀开裂的低合金钢。其次，在三通管焊接过后应对其进行退火处理以降低内部的残余应力，特别是拉应力。以往的试验数据表明，对304不锈钢进行700 ℃以上的热处理后，内应力就能显著下降，应力腐蚀开裂的敏感性也会大大降低[1]。最后，需严控输气管道的工作环境，重点监测管路中是否有积水现象，防止高含量氯离子环境的形成。

3　结论

(1) 本次燃机电厂304不锈钢三通管的裂纹是在拉应力及氯离子的联合作用下因应力腐蚀开裂形成的。该裂纹同时具备了分叉状裂纹、泥状花样、氯离子含量较高三大特征。

(2) 应通过更换材料，对焊接接头去应力退火，严控工作环境等措施可降低管道发生应力腐蚀开裂的风险。

参考文献：

[1]沈保罗,李旭初. 奥氏体不锈钢产生氯脆的影响因素及对策[J]. 化工腐蚀与防护,1996,2:17-22.

[2]许万剑,杨春丽,赵宏祝,等. 304不锈钢焊管应力腐蚀开裂原因[J]. 腐蚀与防护,2014,35(5):511-513.

[3]金光熙,朴美善. 304不锈钢封头应力腐蚀开裂失效分析[J]. 热加工工艺,2011,40(23):226-228.

[4]方智,吴荫顺,曹备,等. 奥氏体304不锈钢在活化态下的应力腐蚀与马氏体相变[J]. 中国腐蚀与防护学报,1994,14(4):277-281.

[5]侯晋,窦怀智,张晓冬,等. 离子色谱法测定进口天然气中的氟和氯[J]. 化工时刊,2014,28(12):18-20.

[6]李岩,方可伟,刘飞华. Cl-对304L不锈钢从点蚀到应力腐蚀转变行为的影响[J]. 腐蚀与防护,2012,33(11):955-959.

[7]周宅忠. 奥氏体不锈钢在高浓度氯化物溶液中的应力腐蚀断裂[J]. 仪表材料,1990,21(3):170-178.