付現(xiàn)橋,徐 敬,卜明哲,陳玨伶

(中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 華北分公司，任丘 062522)

304L不銹鋼具有良好的耐蝕性、焊接性能等，廣泛應(yīng)用于石油、化工等行業(yè)。但304L不銹鋼在使用過程中易受到以氯離子為代表的鹵素離子的侵蝕而發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，進(jìn)而誘發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致材料穿孔失效，這不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的損失，還有可能發(fā)生嚴(yán)重的人員傷亡的事故。因此，304L不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂會(huì)嚴(yán)重影響304L不銹鋼管道和設(shè)備的安全性能和使用壽命[1-4]。

某工程管道完成焊接并經(jīng)過了試壓，在放置了一段時(shí)間后，部分鋼管發(fā)生泄漏。泄漏鋼管材料為304L不銹鋼，管徑為168.3 mm，壁厚為3.6 mm，符合GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》的要求，焊接方式為氬電聯(lián)焊(GTAW+SMAW)，焊接材料為CHG-308L(ER 308L)和CHS-002(E308L-16)，分別符合AWS A5.9：2006《裸不銹鋼焊條和焊棒的規(guī)范》和AWS A5.4/A5.4M:2006《保護(hù)金屬電弧焊用不銹鋼焊接焊條標(biāo)準(zhǔn)》的要求，其化學(xué)成分見表1。

表1 焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of welding materials (mass fraction) %

為了解該304L不銹鋼管失效的原因，本工作通過各種分析手段對(duì)該失效鋼管進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析，并提出了相應(yīng)的解決方案和措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌分析

截取穿孔管段，觀察其宏觀形貌。由圖1可以看出，不僅304L不銹鋼管母材發(fā)生了腐蝕穿孔，熱影響區(qū)也發(fā)生了腐蝕穿孔。母材處的泄漏孔位于管線底部，孔徑為3～5 mm，在母材外表面的泄漏孔周圍有二次腐蝕痕跡，母材內(nèi)表面可見均勻覆蓋的黃色腐蝕產(chǎn)物及大量點(diǎn)蝕坑。熱影響區(qū)處的泄漏孔孔徑為1～2 mm，在其內(nèi)表面可見黃色浮銹，外表面無顯著腐蝕痕跡，其余部分未見異常。

(a) 母材外表面 (b) 熱影響區(qū)外表面 (c) 母材內(nèi)表面 (d) 熱影響區(qū)表面圖1 失效304L不銹鋼管穿孔管段的宏觀形貌Fig. 1 Macrographs of perforated section of failed 304L stainless steel pipe: (a) outside surface of substrate; (b) outside surface of heat affected zone; (c) inside surface of substrate; (d) inside surface of heat affected zone

1.2 化學(xué)成分分析

采用光電發(fā)射光譜儀(OES) 和碳硫分析儀對(duì)失效304L不銹鋼管的母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。結(jié)果表明：失效304L不銹鋼管的母材中碳含量超標(biāo)；焊縫中碳含量也偏高，這主要是由于焊接時(shí)母材中的碳元素向焊縫擴(kuò)散造成的；另外焊縫中錳、鉻及鎳等元素含量低于焊材中的，這主要是由于焊接時(shí)焊材中錳、鉻及鎳等元素向母材區(qū)域擴(kuò)散或燒損造成的。

表2 失效304L不銹鋼管母材和焊縫的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 2 Chemical composition of substrate and weld of failed 304L stainless steel pipe (mass fraction) %

鉻元素與氧元素反應(yīng)在不銹鋼表面形成致密的鈍化膜是不銹鋼具有較好耐蝕性的根本原因。因此，鉻元素對(duì)不銹鋼的耐蝕性起決定作用。但不銹鋼中碳含量超標(biāo)很容易引起貧鉻現(xiàn)象的發(fā)生，導(dǎo)致與氧反應(yīng)的鉻元素的量不足，從而無法形成致密的鈍化膜，因此不銹鋼的耐蝕性下降。故碳含量對(duì)不銹鋼的耐蝕性也起著重要的作用。另外，在熱影響區(qū)受熱過程中，晶粒長大，同時(shí)碳元素不斷擴(kuò)散到晶界與鉻形成碳化物，造成晶界缺少鉻，形成一條貧鉻帶，此處很難形成較為完整的氧化鉻鈍化膜，腐蝕很容易從此處誘發(fā)[4-8]。

1.3 顯微組織及夾雜物分析

采用Nikon ECLIPSE LV150N光學(xué)顯微鏡，依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)分析失效304L不銹鋼管穿孔母材處的顯微組織和夾雜物。由于腐蝕穿孔基本發(fā)生在母材處，故僅對(duì)母材進(jìn)行了夾雜物分析。

由圖2可看到：穿孔母材處的顯微組織為均勻、等軸的奧氏體，晶內(nèi)有孿晶，部分區(qū)域明顯存在加工導(dǎo)致的帶狀痕跡。

圖2 失效304L不銹鋼管穿孔母材處的顯微組織Fig. 2 Microstructure of substrate near perforated section of failed 304L stainless steel pipe

由圖3可以看到：穿孔母材處的夾雜物主要有A類(硫化物類)、B類(氧化鋁類)、C類(硅酸鹽類)和D類(球狀氧化物類)夾雜。

(a) A類、C類和D類夾雜物

將失效304L不銹鋼管穿孔母材處的夾雜物等級(jí)進(jìn)行劃分，并與ASTM E45-2011《鋼中夾雜物含量的評(píng)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較，如表3所示。經(jīng)對(duì)照，穿孔母材處的D類夾雜物等級(jí)不符合常規(guī)要求。夾雜物的有害作用主要體現(xiàn)在導(dǎo)致不銹鋼的鈍化膜不完整，從而降低鋼的耐蝕性，促進(jìn)管道的腐蝕。建議降低鋼管中夾雜物的等級(jí)，夾雜物等級(jí)越低管道的耐蝕性越強(qiáng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般把非金屬夾雜物控制在2.0級(jí)以下。

表3 失效304L不銹鋼管穿孔母材處的夾雜物等級(jí)Tab. 3 Grades of inclusions in substrate near perforated section of failed 304L stainless steel pipe

使用掃描電鏡對(duì)出現(xiàn)D類夾雜物區(qū)域的元素進(jìn)行線掃描，如圖4所示。結(jié)果表明：D類夾雜物處鋁和氧元素掃描譜線出現(xiàn)忽然變高的情況，說明該處鋁和氧的含量較高，夾雜物中含有氧化鋁；鐵和鉻掃描譜線出現(xiàn)峰谷，說明此處鉻含量偏低，不易形成鉻氧化物鈍化膜，腐蝕更容易在此處開始。

(a) 線掃描區(qū)域

(b) 線掃描結(jié)果圖4 D類夾雜物處線掃描區(qū)域及結(jié)果Fig. 4 Linear scanning area near D inclusions (a) and results (b)

1.4 腐蝕產(chǎn)物形貌及成分分析

泄漏孔周圍分布著許多尺寸約為0.1 mm×0.06 mm的微小蝕坑，其數(shù)量約13個(gè)/mm2，如圖5所示。

圖5 失效304L不銹鋼管內(nèi)壁腐蝕形貌Fig. 5 Corrosion morphology of inner wall of failed 304L stainless steel pipe

采用能譜儀(EDS)對(duì)泄漏孔周圍的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，結(jié)果見表4。結(jié)果表明：泄漏孔周圍的腐蝕產(chǎn)物中氧含量很高，說明該區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的氧腐蝕，腐蝕產(chǎn)物以鐵氧化物為主；泄漏孔周圍的腐蝕產(chǎn)物中含有少量硫和氯元素。表層和底層的腐蝕產(chǎn)物均含有少量氯元素，說明氯離子影響或者伴隨腐蝕的整個(gè)過程。腐蝕產(chǎn)物中的硫和氯元素均來自試壓水。經(jīng)檢測，試壓水中氯離子的質(zhì)量濃度達(dá)到95 μg/L，已經(jīng)超過標(biāo)準(zhǔn)要求的25 μg/L；SO42-的質(zhì)量濃度為86.2 μg/L，在硫酸鹽還原菌(SRB)的作用下，硫元素對(duì)304L不銹鋼腐蝕起到了加速作用。

表4 漏點(diǎn)周圍腐蝕產(chǎn)物EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 4 EDS analysis results of corrosion products near leakage point (mass fraction) %

1.5 硬度分析

從失效鋼管的焊接接頭處取樣，采用維氏顯微硬度計(jì)，依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)分析帶環(huán)焊縫穿孔試樣的硬度，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明：失效鋼管的硬度符合GB 13296-2003《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求(不大于220 HV)。

圖6 失效304L不銹鋼管焊接接頭的硬度Fig. 6 Hardness of welded joint of failed 304L stainless steel pipe

2 失效原因分析

宏觀形貌分析表明，失效管段的主要腐蝕特征為點(diǎn)蝕穿孔，在含有侵蝕性陰離子(如氯離子)的環(huán)境中，奧氏體不銹鋼的鈍化膜極易遭到破壞，從而發(fā)生點(diǎn)蝕?；瘜W(xué)成分分析表明，母材及焊縫中碳含量均超標(biāo),易引起晶間貧鉻，焊接過程中焊材中的錳、鉻及鎳等元素向母材區(qū)域擴(kuò)散、燒損，熱影響區(qū)的晶粒長大以及鉻元素向晶界的偏移都加速了這一現(xiàn)象的發(fā)生，從而降低了不銹鋼表面鉻化膜的致密性。顯微組織及夾雜物分析表明， D類夾雜的存在增加了材料發(fā)生電偶腐蝕的傾向，破壞了鈍化膜的完整性，降低了材料的耐蝕性。

304L不銹鋼管在試壓完成后排水不徹底，容易發(fā)生死水腐蝕。介質(zhì)為非流動(dòng)、滯流狀態(tài)，水中的污垢和氯化物等都會(huì)向管底部沉淀和堆積。隨著時(shí)間的延長，帶有氯離子的腐蝕介質(zhì)越積越多，并與氧氣共同作用破壞了304L不銹鋼的鈍化膜，從而導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。

3 結(jié)論與建議

由于該304L不銹鋼管的材料本身存在缺陷、現(xiàn)場焊接工藝不當(dāng)以及試壓后殘余水未及時(shí)排凈，導(dǎo)致304L不銹鋼管發(fā)生由氯離子引起的點(diǎn)蝕，最終造成腐蝕穿孔失效，為防止以后類似情況發(fā)生，提出以下建議：

(1) 沖洗管道應(yīng)使用潔凈水，沖洗奧氏體不銹鋼管道時(shí)，水中氯離子含量不得超過25 μg/L。若管道經(jīng)水沖洗合格后暫不運(yùn)行，應(yīng)將水排凈，并應(yīng)及時(shí)吹干[5-9]。

(2) 根據(jù)GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標(biāo)準(zhǔn)要求，304L不銹鋼中碳含量應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下。

(3) 非金屬夾雜物的出現(xiàn)將破壞金屬表面鈍化膜的完整性，降低不銹鋼的耐蝕性，建議將不銹鋼中非金屬夾雜物等級(jí)控制在2.0以下。