腐蝕是材料與服役環(huán)境介質產(chǎn)生作用,使材料發(fā)生損壞或變質的現(xiàn)象[1]。金屬材料的腐蝕廣泛存在于許多領域[2]。當材料發(fā)生腐蝕時,金屬界面上會發(fā)生化學或者電化學等多相反應,使金屬轉變?yōu)檠趸?離子)狀態(tài),導致材料的穩(wěn)定性下降,各項性能顯著降低,給社會生產(chǎn)造成損失和危害[3]。 

某電廠輸氨管材料為316L不銹鋼,直徑為58 mm,壁厚為3.8 mm。在對其進行金屬滲透檢測時,發(fā)現(xiàn)管道外表面存在沿著管子未完全裂開的周向裂紋。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了該輸氨管開裂的原因,并提出了改進建議,以消除該類管道在運行過程中產(chǎn)生的缺陷和存在的安全隱患。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂管道的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：管道外表面裂紋長度約為管道周長的1/5,開裂處的軸向方向有明顯外物劃傷的痕跡,開裂方向與劃痕方向大致呈垂直角度。說明外物劃傷對管道的開裂影響不大。 

圖  1  開裂管道的宏觀形貌

管道開裂處的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：管道開裂處存在微小的形變,該形變?yōu)樵谶\行過程中受拘束應力產(chǎn)生的,經(jīng)測量,該處的最大凸起量約為4～5 mm,開裂處剛好位于形變的凸起部位。 

圖  2  管道開裂處的宏觀形貌

管道截面的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知： 管內壁裂紋長度約為30 mm, 管外壁裂紋長度約為15 mm,內壁裂紋長度大于外壁裂紋長度,說明開裂是由管內向管外擴展的,且內壁有明顯腐蝕帶的痕跡。 

圖  3  管道截面的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

采用光譜分析技術對開裂管道進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣中Ni元素含量略低于標準要求。Ni元素主要影響材料的耐腐蝕性能,可防止鋼材表面發(fā)生氧化和腐蝕,Ni元素含量較低會導致材料加重敏化。 

1.3   金相檢驗

在管道正常部位取金相試樣,標記為試樣1,在管道開裂處取金相試樣,標記為試樣2,取樣部位如圖4所示,金相檢驗結果如圖5,6所示。由圖5,6可知：試樣1的組織呈典型的正常奧氏體形態(tài)；試樣2的開裂方向由內壁向外壁擴展,裂紋呈樹枝狀,且主裂紋附近有較多微裂紋分支,呈典型的穿晶開裂特征；試樣2的組織正常,為典型的奧氏體,并未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象。 

圖  4  金相試樣取樣位置示意

圖  5  試樣1的顯微組織形貌

圖  6  試樣2的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

沿裂紋人工打開管道,對斷口進行SEM分析,結果如圖7所示。由圖7可知：斷口表面存在較為明顯的腐蝕產(chǎn)物；在腐蝕產(chǎn)物較薄處可以清楚地看到斷裂形成的臺階以及裂紋。 

圖  7  斷口處SEM形貌

對斷口進行能譜分析,結果如圖8所示。由圖8可知：斷口表面的腐蝕產(chǎn)物中氧元素含量較高,腐蝕產(chǎn)物中含有氯元素。說明腐蝕產(chǎn)物中存在大量的氧化物。 

圖  8  斷口處能譜分析結果

2.   綜合分析

根據(jù)上述理化檢驗結果可知：該開裂管道在外力作用下發(fā)生微小的凹凸形變,形變部位存在較大的拉應力；開裂處呈穿晶形貌,裂紋由內壁呈樹枝狀向外壁擴展；腐蝕產(chǎn)物中含有Cl元素,符合氯離子應力腐蝕開裂特征[4－6]。 

應力腐蝕開裂是常見的腐蝕破壞形式之一,其具有潛伏期較長、難以提前預測等特點。一定程度的拉應力、特定的金屬材料、腐蝕介質是產(chǎn)生應力腐蝕的必備條件。該輸氨管道的開裂性質為應力促進下的腐蝕開裂,應力腐蝕的機制為：在較大的拉應力作用下,輸氨管道處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài),在特定的腐蝕介質環(huán)境下,母材失去電子發(fā)生氧化腐蝕,從而發(fā)生脆性開裂,材料萌生微裂紋；微裂紋處存在應力集中,最終導致管道發(fā)生開裂[7－10]。 

輸氨管道中的液氨混入了微量的O2及CO2,也會使材料發(fā)生應力腐蝕。微量的O2和CO2使金屬表面形成薄膜,在材料受到拘束拉應力的情況下,薄膜局部破裂。在應力的作用下。裂紋尖端連續(xù)變形,尖端的表面沒有全部鈍化,因此無膜的尖端和有膜的兩側產(chǎn)生了電位差,最終導致材料發(fā)生電化學腐蝕。液氨中的雜質CO2和O2腐蝕了316L鋼的化學膜,起到了電化學作用[11]。在局部拘束應力和O2的作用下,不斷進行陽極反應,導致應力腐蝕裂紋不斷擴展。 

3.   結論與建議

輸氨管道中的Ni元素含量較低,導致材料敏化加重,在外力作用和氯離子的共同作用下,材料發(fā)生應力腐蝕開裂。輸氨管道混入的O2、CO2等雜質導致材料發(fā)生電化學腐蝕,加劇了裂紋擴展,最終導致管道發(fā)生開裂。 

對材料、環(huán)境和應力等因素進行控制,避免不銹鋼發(fā)生應力腐蝕開裂。合理布局管道,避免其產(chǎn)生較大的應力。隔絕材料與腐蝕介質,如采用增加抗應力涂層等方式。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)