腐蝕是材料與服役環(huán)境介質(zhì)產(chǎn)生作用,使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象[1]。金屬材料的腐蝕廣泛存在于許多領(lǐng)域[2]。當(dāng)材料發(fā)生腐蝕時(shí),金屬界面上會(huì)發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)等多相反應(yīng),使金屬轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸?離子)狀態(tài),導(dǎo)致材料的穩(wěn)定性下降,各項(xiàng)性能顯著降低,給社會(huì)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(duì)其進(jìn)行金屬滲透檢測(cè)時(shí),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(yàn)方法分析了該輸氨管開裂的原因,并提出了改進(jìn)建議,以消除該類管道在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和存在的安全隱患。 

1.   理化檢驗(yàn)

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(zhǎng)度約為管道周長(zhǎng)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(shuō)明外物劃傷對(duì)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\(yùn)行過(guò)程中受拘束應(yīng)力產(chǎn)生的,經(jīng)測(cè)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(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度約為30 mm, 管外壁裂紋長(zhǎng)度約為15 mm,內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)度大于外壁裂紋長(zhǎng)度,說(shuō)明開裂是由管內(nèi)向管外擴(kuò)展的,且內(nèi)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(xué)成分分析

采用光譜分析技術(shù)對(duì)開裂管道進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣中Ni元素含量略低于標(biāo)準(zhǔn)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(huì)導(dǎo)致材料加重敏化。 

1.3   金相檢驗(yàn)

在管道正常部位取金相試樣,標(biāo)記為試樣1,在管道開裂處取金相試樣,標(biāo)記為試樣2,取樣部位如圖4所示,金相檢驗(yàn)結(jié)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(nèi)壁向外壁擴(kuò)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(duì)斷口進(jìn)行SEM分析,結(jié)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(tái)階以及裂紋。 

圖  7  斷口處SEM形貌

對(duì)斷口進(jìn)行能譜分析,結(jié)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(shuō)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(jié)果

2.   綜合分析

根據(jù)上述理化檢驗(yàn)結(jié)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(yīng)力；開裂處呈穿晶形貌,裂紋由內(nèi)壁呈樹枝狀向外壁擴(kuò)展；腐蝕產(chǎn)物中含有Cl元素,符合氯離子應(yīng)力腐蝕開裂特征[4－6]。 

應(yīng)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(zhǎng)、難以提前預(yù)測(cè)等特點(diǎn)。一定程度的拉應(yīng)力、特定的金屬材料、腐蝕介質(zhì)是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必備條件。該輸氨管道的開裂性質(zhì)為應(yīng)力促進(jìn)下的腐蝕開裂,應(yīng)力腐蝕的機(jī)制為：在較大的拉應(yīng)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(zhì)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(yīng)力集中,最終導(dǎo)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(huì)使材料發(fā)生應(yīng)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(yīng)力的情況下,薄膜局部破裂。在應(yīng)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(wú)膜的尖端和有膜的兩側(cè)產(chǎn)生了電位差,最終導(dǎo)致材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕。液氨中的雜質(zhì)CO2和O2腐蝕了316L鋼的化學(xué)膜,起到了電化學(xué)作用[11]。在局部拘束應(yīng)力和O2的作用下,不斷進(jìn)行陽(yáng)極反應(yīng),導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋不斷擴(kuò)展。 

3.   結(jié)論與建議

輸氨管道中的Ni元素含量較低,導(dǎo)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(yīng)力腐蝕開裂。輸氨管道混入的O2、CO2等雜質(zhì)導(dǎo)致材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕,加劇了裂紋擴(kuò)展,最終導(dǎo)致管道發(fā)生開裂。 

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

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