304不锈钢焊接管开裂原因分析

304不锈钢焊接管开裂原因分析

乔文辉

河南中烟工业有限责任公司黄金叶生产制造中心 河南郑州 450000

摘要：304不锈钢管路在例行检查过程中发现多处裂纹，该管路最大运行压力约40MPa，内部介质温度为－40~60℃，外部为舱室，管路材质为0Cr18Ni10Ti奥氏体不锈钢，型号规格为φ42mm×6mm，管线服役过程中存在压力及温度变化，裂纹分布于焊缝附近，通过无损检测、宏观观察、金相检测、扫描电镜断口观察及能谱分析等方法进行了研究分析。结果表明：高压空气不锈钢管发生了刀状腐蚀开裂失效，属于晶间腐蚀的一种，裂纹位于焊缝熔合线处，焊接工艺不当导致熔合线区域抗晶间腐蚀能力下降以及外来腐蚀介质是导致晶间腐蚀产生的原因。

关键词：钢管开裂；应力腐蚀；补焊

1外观检查和材料化学成分分析

失效不锈钢焊接管的宏观形貌如图1所示。表面多处发生开裂，开裂位置外表面已被打磨。经观察，焊接管裂纹多位于焊接处附近，有环向开裂亦有轴向开裂，图1(d)裂纹呈“H”型横纵交错，且裂纹已裂穿焊接管壁厚方向，焊接处呈黄褐色锈蚀形态特征，附近观察到有焊接过程中飞溅的焊料滴落附近。线切割切取几处开裂较严重位置，其外表面形态如图1(b)所示，对应各自内表面宏观形貌如图1(c)所示，裂纹均已裂穿，且钢管内表面裂纹附近有圆圈痕迹，呈历经高温灼烧的补焊形貌特征。将图1(d)处裂纹打开，断口如图1(e)所示，表面呈银灰色，敲开过程中发生塑性变形，从各断口扩展流线判断，开裂起始于外表面，沿图中箭头所指方向扩展，源区略呈暗灰色。利用超景深体式显微镜观察裂纹处钢管内壁形貌如图1(f)所示，图1(g)为酸洗处理后的内表面形貌。从失效焊接管基体上取样分析材料的化学成分，结果如表1所示，符合GB/T20878—2007《不锈钢及耐热钢牌号及化学成分》中对06Cr19Ni10的化学成分规范要求。

图1不锈钢焊接管开裂宏观形貌

2理化检验

2.1无损检测

参照标准NB/T47013.5—2015《承压设备无损检测第5部分渗透检测》对高压空气不锈钢管整体外表面除漆后进行渗透检测，结果在焊缝边缘发现1处裂纹，裂纹方向平行于焊缝，指示长度15mm。

2.2宏观分析

结合无损检测结果，对高压空气不锈钢管进行宏观分析，钢管表面存在磕碰及表面划伤等现象，整体仍具有较为明显的金属色，肉眼观察内壁均较为光滑且洁净，未发现明显腐蚀痕迹。对无损检测过程中发现的焊缝边缘的裂纹处进行观察，未发现目视可见的裂纹。

2.3符合性分析

对高压空气不锈钢管的化学成分进行分析，结果表明，化学成分（见表1）符合GB/T14975—2002《结构用不锈钢无缝钢管》对0Cr18Ni10Ti不锈钢的要求。对高压空气不锈钢管的直管段取样进行力学性能测试，结果表明，屈服强度、抗拉强度和伸长率（见表2）符合GB/T14975—2002《结构用不锈钢无缝钢管》对0Cr18Ni10Ti不锈钢的要求。

表1化学成分检测结果（质量分数）

表2拉伸性能分析结果

对高压空气不锈钢管的夹杂物、金相组织及晶粒度进行检测，结果表明，钢管金相组织为孪晶奥氏体，晶粒度为11.0级，夹杂物级别为D类0.5（氧化物）、2.5（氮化物），未发现明显异常。

2.4金相分析

沿垂直于钢管裂纹试样取截面进行金相分析，裂纹位置位于焊缝根部熔合线处，裂纹起源于外壁，沿着熔合线向内壁扩展，未贯穿壁厚。裂纹起源位置附近发现有较小的腐蚀坑，坑深远小于壁厚，整个裂纹在焊缝一侧均为沿枝晶间腐蚀，在热影响区至基体一侧，主要沿晶界腐蚀，部分区域腐蚀方向受δ铁素体方向影响。

2.5断口测试

将裂纹打开后置于扫描电镜下观察。断口从外表面开始起裂，并沿着近似斜45°向内部扩展，断面存在较明显的沿晶特征，对断面进行能谱分析，主要成分为氧化物，并含腐蚀性元素Cl，以及含K的外来污染物。

3分析与讨论

失效高压空气不锈钢管的理化性能均满足相关技术标准要求，金相组织、晶粒度、夹杂物均未发现明显异常。无损检测结果分析可得，高压空气不锈钢管焊缝附近存在裂纹，该裂纹起源于外壁且未贯穿壁厚。裂纹截面金相分析可得，裂纹位置位于焊缝根部熔合线处，起源于外壁，沿着熔合线向内壁扩展，且未贯穿壁厚，与渗透检测结果一致。裂纹腐蚀呈现明显的沿晶界特征，在焊缝一侧沿树枝状晶的枝晶间腐蚀，在热影响区一侧沿奥氏体晶界腐蚀。对断口形貌及能谱结果进行分析可得，原始断口有较明显的沿晶特征存在，发现腐蚀性元素Cl的存在，可以推断断口的产生与腐蚀有关，且具有沿晶界的特征。根据失效件的宏观和微观特征可以推断，该失效高压空气不锈钢管发生的是晶间腐蚀开裂失效。

失效高压空气不锈钢管在服役过程中，内部为空气，外壁舱室环境为海洋性气氛，钢管内部介质的温度及压力均存在变化，容易使水蒸气在表面凝结，形成Cl元素聚集的外部环境。此外，高压空气不锈钢管材质为0Cr18Ni10Ti，这是向304不锈钢中添加Ti元素以增强抗晶间腐蚀能力和耐高温性能的奥氏体不锈钢，其原理是Ti元素与C元素形成稳定的碳化物TiC，以减少碳化铬的形成，避免晶界贫铬现象的产生，但是焊缝成分和焊接工艺不当仍然会导致焊缝成为易发生晶间腐蚀的薄弱部位。奥氏体不锈钢在焊接时，如果焊接接头不采取有效的措施进行处理，在腐蚀介质工作一段时间后，其焊接接头会产生3种腐蚀现象：整体腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀。其中晶间腐蚀是不锈钢最危险的一种破坏形式。晶间腐蚀是指晶界相或与之紧邻的区域作为阳极优先溶解，而晶内很少或没有腐蚀，它可以分别产生在热影响区、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又叫刀状腐蚀。发生晶间腐蚀后材料在外观上变化不明显，但经金相抛光后无需浸蚀即可看到因腐蚀变粗变黑的晶界。失效高压空气不锈钢管裂纹截面沿着焊缝的熔合线区域两侧具有明显的因腐蚀变粗的晶界，符合刀状腐蚀的特征。

结语

高压空气不锈钢管开裂的失效模式为刀状腐蚀开裂失效，属于晶间腐蚀的一种，裂纹位于焊缝熔合线处，由外壁向沿熔合线内壁扩展，未贯穿壁厚。焊接工艺不当导致熔合线区域抗晶间腐蚀能力下降以及外来腐蚀介质是导致晶间腐蚀产生的原因。针对失效原因，建议该高压空气不锈钢管在焊接时控制工艺，缩短焊接接头在敏化温度区停留时间，尽量减少碳化铬的形成。此外，钢管外壁应避免外来腐蚀介质的接触与聚集。

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