304不锈钢大小头开裂原因分析

作者: 来源:原创 日期:2017-12-12 23:57:58 人气:157

1情况简介

    304不锈钢属于不锈耐酸钢,钢的塑性、韧性、冷加工性均良好,在氧化性酸、大气、水、蒸汽等介质中具有较好的耐蚀性,因而在石油、化工等行业获得了广泛的应用。某厂硫磺装置系列投用短期内发生了304不锈钢管线大小头热影响区开裂。此304不锈钢管线是急冷塔出口线,投用20多天,停工20多天,开工前检查发现旁路线大小头开裂,2日后又发现同一个系列的同样材质的急冷塔回流线的大头开裂。

    两个大小头尺寸相同,大头尺寸为DN 350 mmx 150 mm,厚12 mm。两个大小头裂纹都出现在热影响区,第一个大小头上发现1条长11 cm的裂纹,第二个大小头上发现分别长7cm.8cm.10cm3条裂纹,裂纹平行于焊缝。焊接采用的是手工电弧焊,使用的是奥307焊条,焊接电流为60A,没有进行焊前和焊后处理。两个管线内介质是急冷水,为除盐水,氯离子含量80- 200 mg/ L,硫含量约38mg/ L,有时混有二氧化硫、二氧化碳,pH值为80两个大小头均位于控制阀后。旁路线大小头温度为60℃左右,压力为0. 7 M Pa;急冷塔回流线温度40℃左右、常压。

2化学成分分析

2.1母材、热影响区、焊缝成分分析

    根据厂方提供的失效件,使用日木岛津公司生产的EPM A-1600型电子探针对母材和焊缝材料及热影响区的化学成分进行了分析,结果如表1所示。可知:母材以及热影响区的C:含量以及Ni含量稍有不足,Si含量偏高,焊缝处Cr含量也稍有不足。Ni对不锈钢的再钝化是有效元素,是为使不锈钢获得稳定耐蚀性的必要元素, Ni含量的不足,对于不锈钢的耐点蚀性能有所影响。

2. 2腐蚀产物分析

    从失效304不锈钢大小头上截取含裂纹部位,沿裂纹将断口打开,在扫描电镜下观察到明显的腐蚀产物,如图1所示。对图中a,h,c三部分产物进行成分分析,结果见表2。从表中可以看出,产物:。部分含有较高含量的Cl以及S这两种引起奥氏体不锈钢应力腐蚀敏感的元素,从h, c处的成分以及c处的形貌来看,断面上发生了明显的硫腐蚀。同时对管内壁靠近断口处进行成分分析,结果见表2。可以看出,靠近断口处内壁上也含有较高的ClS,说明是设备内壁接触到含有Cl, S的腐蚀介质并可能发生了氯离子的浓缩而进一步造成腐蚀,然后在内壁形成裂纹并向外壁扩展。

3金相分析

    金相磨片试样取自失效件,取下典型部位,进行机械打磨、抛光、丙酮清洗,然后在10%的草酸溶液中进行电解腐蚀,在奥地利徕卡公司生产的M EF-3光学显微镜下进行观察并照相,观察面为纵向剖面和内表面的裂纹。

    2为失效304不锈钢大小头的纵向截面裂纹,裂纹垂直于轧制方向,且主裂纹附近还有大量分支裂纹,显示出沿品的裂纹分叉。图3为内表面的裂纹,同样看到较多的裂纹分支,且显示沿的扩展特征。可知,无论从纵向截面还是从内表面观察到的裂纹在扩展过程中都发生了分叉,形成‘树枝状”裂纹,且显示沿晶特征,这是典型的沿晶应力腐蚀开裂所具有的微观形貌特征。

    同时,在制样以及观察的过程中还发现裂纹起源于内表面,然后向外表面扩展,且内表面裂纹周围区域发现轻微的点蚀痕迹。

4扫描电镜分析

    从失效304不锈钢大小头上取含裂纹的一部分,从裂纹处打开,用丙酮等有机溶剂清洗断口,在日木产的JSM-5600L V型扫描电子显微镜(SEM)上进行断口微观形貌的观察。

    4为断口的微观形貌,可见断口呈现出了不同程度的晶粒多面体外形的“岩石状”花样,晶粒明显,立体感强,晶界面光滑,为常见的沿晶分离断口。图5中可发现断口上的沿晶二次裂纹.

5电子探针分析

    取热影响区试样,经过打肺、抛光、丙酮清洗,在10%的草酸溶液中进行电解腐蚀后,使用日本岛津公司生产的EPM A-1600型电子探针进行面扫描分析。

    由图6可以看出,在经过浸蚀后的试样出现了明显的晶界,由碳含量而扫描分布图也可以看出碳的沿晶界析出。证明热影响区已经发生了敏化。

6开裂原因分析与讨论

    4,5显示出断口为沿晶断口,而图2,3也显示裂纹的沿晶开裂特征;再由图I沿品断口上存在腐蚀产物,图5断口上的沿晶二次裂纹以及图2,3中的分叉裂纹这些断口的微观形貌可以断定此次304不锈钢的开裂模式为沿晶应力腐蚀脆断。

    能够引起不锈钢应力腐蚀开裂的环境有很多种,包括含氯化物溶液、高温高压水、连多酸溶液或者含硫化氢溶液、碱溶液等等。在实际失效案例中,造成开裂的原因往往不是单一的。本案例中的304不锈钢大小头工作介质中明显含有氯离子以及硫化物,不锈钢在氯化物溶液以及硫化氢溶液中的应力腐蚀开裂多为穿晶型,也有晶间型或混合型,而敏化不锈钢在氯化物溶液以及硫化物溶液中发生的应力腐蚀开裂均为沿晶开裂。

    不锈钢材料在出厂时已经过固溶处理。304不锈钢的含碳量大于0.03%,碳在奥氏体中的固溶度是随温度下降而减少的。而经过固溶处理的钢,碳是过饱和的。当对奥氏体不锈钢进行焊接时,电弧熔池的温度高达1300℃以上,焊缝两侧温度随距离增加而下降,其中存在450- 850℃的敏化温度区。当不锈钢处在敏化温度区下,碳便形成(Fe,Cr) 23 C6从奥氏体中析出而分布在晶界上。( Fe, Cr)23C6的含铬量高很多,它的析出自然消耗了品界附近大量的铬,而消耗的铬不能从晶粒中通过扩散及时得到补充,因为铬的扩散速度很慢,结果晶界附近的含铬量低于钝化必须的限量(12%),形成贫铬区,因而钝态受到破坏,钢就会对晶间腐蚀产生敏感性。以晶间腐蚀为起源,在应力和介质的共同作用下,可诱发不锈钢晶间应力腐蚀。所以晶间腐蚀往往是应力腐蚀的先导.

    能够引发应力腐蚀开裂的氯离子浓度下限仍然是最受关注的,有人曾经用实验[4]得出室温下敏化态的304不锈钢在NaCI溶液中发生应力腐蚀开裂的存在一个Cl-浓度界限,约0.4moVL,1. 4x一口mg/ L。然而在实际的开裂事故中,0- 50 m g/ LCl一的稀溶液中开裂的比例最大,可认为是Cl-的浓缩造成的。并月.在实际的腐蚀事故中,介质的有害成分也不是单一的。从图1以及表2可以看出,硫的存在是此次开裂的一个非常重要的因素,而且大量的工程案例表明,停工期问奥氏体不锈钢在多硫化物的存在下发生的腐蚀多为晶间型应力腐蚀开裂。而当氯和硫同时存在时,对设备和管线的破坏是互相促进的,导致敏化部位在很短的时间内发生了应力腐蚀开裂。

7结论与建议

    裂纹沿晶间扩展,且分叉,具有晶间应力腐蚀的特征;“岩石状”微观形貌以及断口上的二次裂纹同样可判断出沿晶应力腐蚀脆断。裂纹产生于热影响区,从腐蚀界面可得出材料在焊接的过程中受到了敏化处理。所以,此304不锈钢管线大小头开裂是由于管线在焊接过程中,热影响区受到了敏化,在残余应力以及含硫、氯的腐蚀介质联合作用下,产生了沿晶应力腐蚀裂纹并扩展而导致管线的泄漏。

    根据304不锈钢大小头的开裂的部位、材质以及工作环境提出以下几点防护措施:

    (1)提高焊接水平焊接操作要快,焊后应快冷,尽量减少焊缝两侧的母材在敏化温度范围的停留时间。有经验的电焊工会在焊接后立刻用水冷却焊件,并用稀酸对其进行钝化处理。

    (2)重新固溶处理可以把焊件重新加热至1000- 1100℃,使沉积的(Fe.Cr) 23 C6重新溶解,然后淬火以防止其再次沉积。

    (3)选择合适的材料可以选用超低碳不锈钢(含碳量低于0.03%)或者采用双相钢。

    ( 4)减少有害物质尽量减少工作环境中Cl的浓度,控制硫含量。

    (5)停工保护停工期间要注意保护通入N2.并避免残留水。