304不锈钢脱盐水管件渗漏失效 分析

供稿|陈晓潇 / CHEN Xiao-xiao

内容导读

工作温度约为105 ℃的304不锈钢脱盐水管路共计45个弯头中有10多个弯头焊缝附近发生渗漏，渗水处补焊后，焊缝热影响区又会出现渗水情况。利用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、拉伸试验机等对304不锈钢脱盐水失效管道进行了实验分析。实验结果表明，失效的焊接管件存在裂纹、咬边、未焊透和夹渣等焊接缺陷，焊缝及热影响区存在应力集中导致裂纹的萌生和扩展。同时，Cl-含量大大超出控制指标的脱盐水在管内流通时，裂纹在焊接缺陷处萌生，在焊接应力和Cl-腐蚀作用下，裂纹进一步扩展并穿透管壁，导致304不锈钢水管渗漏失效。

焊接件在焊接过程中会在焊接缺陷处形成应力集中。在应力和腐蚀介质的影响下，焊接缺陷处逐渐形成裂纹，裂纹随时间的积累逐渐扩展直至断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒[1-2]。在静拉应力作用下的腐蚀破坏一般称为应力腐蚀，在交变应力作用下的腐蚀破坏则称为腐蚀疲劳。应力腐蚀开裂是金属在应力和腐蚀介质共同作用下发生的一种破坏形式。即使是塑性材料，应力腐蚀开裂也是脆性形式的开裂。

某企业的在用304不锈钢脱盐水管路发生渗漏，管内介质为脱盐水，工作压力0.6 MPa，工作温度约为105 ℃，管线约300 m，共计45个弯头。发生渗漏时该管线已投用一年左右，渗漏前3个月，上工序水质变化，出现过脱盐水处理不合格情况。发现渗漏一个月内，该管线10多个弯头焊缝附近出现渗漏，现象均为焊缝附近滴水或渗水，且对渗水处补焊后，焊缝热影响区又会出现渗水情况。本文利用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、拉伸试验机等对304不锈钢脱盐水失效管道进行了实验 分析。

分析方法与结果

样品概况及宏观形貌描述

从304不锈钢脱盐水管路渗漏处取两端各焊有弯头的直管管件1件，见图1(a)。样品焊缝表面高凸，左侧焊缝处渗水部位有细小裂纹存在，见图1(b)。右侧焊缝表面高凸，焊缝附近存在环向裂纹，长度约为30 mm，见图1(c)。在渗水部位截取金相试样和扫描试样，在直管部位制取拉伸试样。样品经线切割取样后，在管件内壁焊接处发现存在焊接缺陷——咬边，见图1(d)。

图1 样品宏观形貌与取样位置：(a) 样品全貌；(b) 样品左侧渗漏处；(c) 样品右侧渗漏处；(d) 渗漏处焊接缺陷

化学成分检测

分别从直管和弯管处取样，进行化学成分分析，结果见表1。检验结果与GB/T 14976—2012中06Cr19Ni10(304)的化学成分进行比对，被检管件各元素成分均在标准要求范围内，未见异常。

力学性能检测

在直管上截取拉伸试样，进行拉伸实验，结果见表2。从检测结果可以看出，试样的各力学性能均符合GB/T 14976—2012标准要求。

金相分析

◆ 非金属夹杂物分析

经检验，所制取试样的非金属氧化物主要为球状氧化物类，依据GB/T10561—2005，非金属夹杂物评级为D0.5，见图2。

表1 试样的化学成分检验结果(质量分数，%)

表2 直管试样的拉伸实验结果

◆ 焊缝显微组织分析

对样品的母材、热影响区和焊缝的显微组织进行分析，见图3。样品的母材金相组织为均匀的奥氏体组织，见图3(a)；焊缝处金相组织为奥氏体和枝晶状铁素体，见图3(b)；母材和焊缝处金相组织均为正常组织状态。弯管部位由于弯曲变形缘故，在奥氏体基体组织上产生形变马氏体，见图3(c)。

◆ 渗水部位金相分析

图2 试样的非金属夹杂物

从样品左侧渗水部位截取的金相试样可见，钢管内壁焊接部位存在未焊透的焊接缺陷，裂纹从该缺陷处沿热影响区向外壁延伸，几乎贯穿管壁，见图4(a)。高倍下检验热影响区裂纹，发现裂纹呈沿晶和穿晶两种形式存在，同时裂纹处形成大量腐蚀坑，见图4(b)。

检查热影响区附近的母材，可以看到渗水部位裂纹分支较多，由钢管内壁向外延伸，呈网络状分布，见图5(a)。在样品的渗水部位处，存在多条由内壁向外壁扩展并贯穿整个管壁的裂纹，见图5(b)。在热影响区处，多条裂纹相互交汇构成裂纹网，管壁处及交汇处有大量点蚀坑存在，见图5(c)和5(d)。

图3 焊缝及热影响区显微组织：(a) 直管母材显微组织；(b) 焊缝显微组织；(c) 弯管显微组织

图4 渗水部位裂纹显微组织：(a) 样品未焊透部位裂纹全貌；(b) 热影响区裂纹

◆ 扫描电子显微镜和能谱分析

(1) 裂纹断口扫描电子显微镜和能谱分析。

制取样品渗水部位断口，发现断口表面从钢管外壁到内壁均呈黑色、褐色氧化状态，未见明显的疲劳条带。经扫描电子显微镜检测，断口表面被氧化物和腐蚀产物附着，经能谱分析，表面附着物中含有Cl元素，见图6。

(2) 焊缝裂纹扫描电子显微镜和能谱分析。

金相试样经抛光处理后进行扫描电子显微镜分析。该试样的焊缝裂纹周围材料与基体材料明显不一，经能谱分析，焊缝裂纹处含氧量较高，深灰色组织为氧化物组织，而母材基体不含有O元素，见图7。

失效原因分析与讨论

化学成分和力学性能结果分析

参考GB/T 14976—2012标准中06Cr19Ni10(304不锈钢)的成分要求和力学性能要求，该试样的直 管和弯管化学成分以及直管的力学性能均符合标准要求。

爆裂口宏观形貌和金相分析

图5 样品热影响区附近裂纹：(a) 热影响区附近钢管内壁裂纹；(b) 贯穿管壁的裂纹全貌；(c) 热影响区裂纹；(d) 裂纹和点蚀坑

图6 裂纹断口表面分析结果：(a) 微观形貌；(b) 能谱分析

图7 焊缝裂纹附近分析结果：(a) 微观形貌；(b) 能谱分析1；(c) 能谱分析2

(1) 根据金相组织检验，直管和弯管的显微组织为正常的奥氏体组织。通过对该试样的非金属夹杂物分析，其非金属夹杂物的存在不是造成钢管开裂渗水的原因。

(2) 根据对渗漏区域的宏观观察及金相检验，管外壁焊缝处存在明显的焊接热裂纹，在焊接应力作用下，裂纹由管壁外表面向内表面延伸；管件接头处内壁焊缝咬边严重，存在未焊透部位，焊接缺陷的存在使钢管焊接处的焊接应力加大；在腐蚀介质作用下，钢管极易发生应力腐蚀现象，在应力集中处产生裂纹的萌生和扩展。

扫描电子显微镜和能谱分析

经扫描电子显微镜能谱分析，未见明显的疲劳条带，排除应力腐蚀开裂的可能。裂纹表面存在大量腐蚀产物，腐蚀产物中含有Cl元素，奥氏体不锈钢对Cl-的应力腐蚀很敏感，少量的Cl-就可能导致不锈钢的应力腐蚀开裂[3-6]。同时，在焊缝裂纹处，发现氧化物组织，即焊接过程中卷入氧化物造成的夹渣缺陷。在焊接过程中卷入外来氧化物不仅大大降低了焊缝的强度、韧性，而且使焊缝处产生应力集中，Cl-的存在会加速不锈钢管发生应力腐蚀。

介质水质影响

结合管内水质检测分析，可以看出有多项指标在一段时间内超出控制指标范围，其中Cl-控制指标要求＜0.1，而检测出的Cl-为0.41～51.6，且运行时间较长，大大超出控制指标。在高温下(工作温度为105℃)，不锈钢管由于焊接缺陷和焊接应力的存在，极易发生应力腐蚀现象。

结束语

脱盐水管件开裂主要原因：(1)焊接过程产生多种焊接缺陷，包括热裂纹、咬边、未焊透和夹渣，造成焊缝及热影响区存在应力集中，导致裂纹的萌生和扩展。可以通过提高焊接质量，避免焊接缺陷出现，焊接后对焊管进行无损检测，并采取敲打焊接处等方式消除焊接应力。(2)因存在脱盐水处理不合格的情况，造成管内流通介质中有多项指标在一段时间内超出控制指标范围，特别是Cl-含量大大超出控制指标。当脱盐水管在使用过程中，裂纹在焊接缺陷处萌生，在焊接应力和Cl-腐蚀同时作用下，裂纹进一步扩展并穿透管壁，使脱盐水管产生渗漏。需要进一步加强对脱盐水的质量控制，避免含Cl-的介质对不锈钢脱盐水管的腐蚀。

《花团锦簇》惠爱平 王晓雯