案例分享：316L不銹鋼盤管(鋼管)的泄漏失效分析
316L屬于奧氏體不銹鋼，對應(yīng)國內(nèi)牌號為022Cr17Ni12Mo2，具有良好的塑性和耐蝕性，該不銹鋼中添加的Mo元素極大地提高了其抗點(diǎn)蝕能力。因此，316L不銹鋼被廣泛應(yīng)用于石化、醫(yī)藥等行業(yè)。某企業(yè)使用的316L不銹鋼盤管在使用過程中發(fā)現(xiàn)管壁泄漏穿孔現(xiàn)象。管內(nèi)工作介質(zhì)為水蒸汽，工作壓力0.9MPa，管外介質(zhì)為強(qiáng)堿、銅粉，工作壓力1.0MPa，內(nèi)外壁存在壓力差。筆者對其失效原因進(jìn)行了試驗(yàn)分析和研究。從外部宏觀目視檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏孔在外壁顯示為一個(gè)直徑約2mm的小孔，如圖1a所示。在內(nèi)壁顯示為4個(gè)直徑約為1mm的縱向排列小孔，并可見大量“翹皮”狀裂紋，如圖1b所示。
圖1 泄漏孔宏觀形貌
采用變倍體視顯微鏡觀察，圖2a為內(nèi)壁泄漏孔放大40倍后的宏觀照片；圖2b為剖開后的泄漏孔形貌，孔內(nèi)空間比較大，總體積約4mm3，孔壁起伏不平、不規(guī)則。
圖2 泄漏孔形貌
對泄漏孔周邊取樣用全譜直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果（平均值）見表1，與ASME SA213中TP316L材料成分比較，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 （%）
采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，在盤管上取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2。試樣斷口形貌為塑性斷裂。通過對比可知，材料的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率均符合ASME SA213標(biāo)準(zhǔn)。
表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果
采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行擴(kuò)口、壓扁試驗(yàn)，結(jié)果見表3，試驗(yàn)后擴(kuò)口試樣形貌如圖3所示，管內(nèi)壁無裂紋。壓扁試樣形貌如圖4所示，壓扁試樣外壁拉伸面產(chǎn)生裂紋，裂紋開口端外壁位置為陳舊斷口，裂紋尖端為新斷口，可見管外壁存在舊裂紋。
表3 工藝性能試驗(yàn)結(jié)果
圖3 擴(kuò)口試樣
圖4 壓扁試樣拉伸面裂紋
在盤管內(nèi)外壁及內(nèi)部加工顯微金相試樣，試樣橫截面經(jīng)磨制、拋光，用金相顯微鏡放大后觀察。從圖5a可見，盤管內(nèi)壁上存在“翹皮”狀裂紋，在“翹皮”底部還存在微裂紋；從圖5b可以看出，外壁上存在大量微裂紋，在缺陷或腐蝕坑處萌生，沿夾雜物擴(kuò)張；從圖5c可見，內(nèi)部存在大量粒狀、條狀、塊狀夾雜物，夾雜物尺寸為5 ~ 25μm。
圖5 盤管材料不同區(qū)域圖
經(jīng)腐蝕后的試樣，金相顯微鏡觀察組織為奧氏體，平均晶粒度為6.5級，并發(fā)現(xiàn)在晶界上有析出相，如圖6a所示。從圖6b可見，內(nèi)壁存在大量變形滑移線，說明存在殘余應(yīng)力；從圖6c可見，外壁存在上存在穿晶型及沿晶型裂紋。
圖6 金相圖
對裂紋斷口處采用掃描電鏡觀察，圖7a為陳舊斷口，從圖7b泄漏孔內(nèi)壁形貌可以看出，表面上均存在“泥紋花樣”腐蝕產(chǎn)物。
圖7 失效部位掃描電鏡形貌
對圖7a陳舊斷口取樣進(jìn)行能譜分析，如圖8所示，結(jié)果見表4，腐蝕產(chǎn)物較為復(fù)雜，主要成分為氧化物，還夾雜有Cu、Na等。
表4 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
圖8 分析點(diǎn)能譜圖
綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，盤管TP316L不銹鋼的化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率都滿足ASME SA213標(biāo)準(zhǔn)要求。擴(kuò)口試驗(yàn)合格，壓扁試驗(yàn)管外壁拉伸面出現(xiàn)裂紋，開口端為陳舊裂紋。金相顯微分析、SEM+EDS表明，組織為奧氏體不銹鋼，但存在大小不等的顆粒狀夾雜物，表面有“泥紋花樣”腐蝕產(chǎn)物，尤其是泄漏孔處。孔壁起伏不規(guī)則，在“翹皮”處存在大量微裂紋，并沿夾雜物擴(kuò)張。316L不銹鋼盤管泄漏的主要原因是材料中存在大量夾雜物、氧化物腐蝕產(chǎn)物、微裂紋等。基體連續(xù)性因夾雜物的存在而遭到破壞，在殘余應(yīng)力、內(nèi)外壁壓力差等共同作用下，夾雜物處很容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，而夾雜物與高溫水蒸汽介質(zhì)接觸，由于夾雜物的耐蝕性遠(yuǎn)低于材料本身，因此夾雜物被腐蝕，最終管壁內(nèi)部形成孔洞，導(dǎo)致管壁穿孔，發(fā)生泄漏。為避免發(fā)生類似泄漏失效，建議如下：1）對于該盤管的服役環(huán)境，應(yīng)選用夾雜物少的高質(zhì)量316L不銹鋼材料。2）控制工作介質(zhì)純度，盡可能避免腐蝕性物質(zhì)對管子的影響。3）盤管構(gòu)件在彎曲、焊接后進(jìn)行熱處理，以有效釋放殘余應(yīng)力。
參考文獻(xiàn)：略。
作者：方學(xué)鋒，梁斌，業(yè)成，張伯君，于永亮
單位：南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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