在石油化工、航空航天領域,奧氏體不銹鋼由于具有優良的力學性能和抗腐蝕性能得到廣泛應用。奧氏體不銹鋼表面絕大部分處于鈍性狀態,腐蝕速率可以忽略不計,但在表面很小的區域,腐蝕速率相差幾十萬倍。奧氏體不銹鋼在一定條件下會發生腐蝕,尤其以局部腐蝕最為常見。局部腐蝕主要有電偶腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕、氫脆等,并且它們存在協同作用。局部腐蝕廣泛發生且危害性較大,腐蝕破壞通常沒有明顯預兆,不僅影響正常使用還可能引發安全事故[1]。 

晶間腐蝕是金屬材料在特定的腐蝕介質中沿著材料的晶界產生的腐蝕,由微電池作用引起。這種腐蝕從表面開始,沿著晶界向內部發展,直至成為潰瘍性腐蝕[2-5]。 

點蝕指金屬表面個別區域或微小區域出現腐蝕孔或者麻點,隨著時間推移,腐蝕孔不斷向縱深方向發展,形成腐蝕坑[6-7]。 

某不銹鋼氮氣管路系統,在服役18個月后發生了管路彎頭穿孔泄漏現象,彎頭材料0Cr18Ni9（新牌號06Cr19Ni10）,型號為DN50。為了保證管路系統安全可靠運行,筆者從失效彎頭的宏觀形貌、理化檢測以及微觀掃描電鏡等方面進行了分析,找到彎頭失效的原因,提出相應的改進措施,以期避免類似事故的再次發生[8-9]。 

1.   概述

某氮氣供氣系統設計壓力為9 MPa,管路為DN50,管路材料為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼（符合GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標準）。不銹鋼彎頭采用GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》標準中的1.5倍彎曲變徑（長半徑）彎頭,牌號0Cr18Ni9,供貨狀態為固溶熱處理。 

彎頭與不銹鋼管采用手工氬弧焊接連接,焊縫進行了射線檢測（I級合格）。彎頭焊縫外表面進行了酸洗鈍化處理。系統安裝完成后,對整條管路進行了9 MPa氣密性檢查,未發現任何異常現象。 

管道系統使用18個月后進行檢修維護,出現持續壓力降低現象,在某管路彎頭處聽到漏氣聲音,初步判斷彎頭出現了泄漏小孔。采用滲透無損檢測方法對問題管路彎頭進行著色檢測,在彎頭焊縫熱影響區存在缺陷顯影以及小孔缺陷,圖1（a）標示位置為小孔泄漏區域。對整根管線彎頭部分進行了表面滲透檢測,有的彎頭熱影響區僅存在孔蝕現象,并未腐蝕穿透,見圖1（b）；有的彎頭表面完好,未發生腐蝕,見圖1（c）。 

圖  1  滲透檢測的彎頭形貌

Figure  1.  Morphology of elbows for penetration detection: (a) leakage elbow; (b) pitting elbow; (c) uncorroded elbow

 

2.   理化檢驗與結果

2.1   宏觀形貌

將管路系統進行放氣處理后,采用機械工具將彎頭從鋼管上切割下來,便于進一步進行彎頭泄漏原因分析,彎頭外表面形貌見圖2。 

圖  2  彎頭外表面形貌

Figure  2.  Macroscopic morphology of the outer surface of the elbow: (a) overall appearance of the outer surface; (b) localized corrosion morphology; (c) leakage area morphology

 

對失效彎頭的外表面進行宏觀觀察,可以看出,彎頭外表面焊縫附近的腐蝕情況比較嚴重,腐蝕部位均發生在焊縫兩側距離焊縫大約10 mm的位置,腐蝕嚴重區域的寬度約10 mm,該區域為彎頭焊縫熱影響區,顏色明顯較深。彎頭其他區域與焊縫區域表面光亮,未見銹蝕現象。泄漏區域外表面焊縫熱影響區存在多處腐蝕斑點。 

將彎頭剖開,觀察內表面。彎頭內表面余高較大,并且凹凸不平,因未經過酸洗鈍化而呈現灰黑色,熱影響區發生了高溫氧化,因溫度不同呈現亮黃色或亮藍色。焊縫內表面部分區域存在明顯的黃褐色銹蝕形貌,主要分布在焊縫及其兩側熔合線位置,熔合線縫隙處銹蝕較為嚴重。泄漏點對應內表面也存在腐蝕區域,見圖3。 

圖  3  彎頭內表面形貌

Figure  3.  Macroscopic morphology of internal surface of elbows: (a) overall appearance of the inner surface; (b) weld corrosion morphology; (c) leakage area morphology

 

2.2   化學成分

彎頭采用不銹鋼管推制加工制作而成,若元素成分不達標,可能會在使用過程中引起失效問題。首先對彎頭母材的化學成分進行分析,見表1。可以看出母材成分滿足GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》的規定。 

選取未見腐蝕的彎頭母材,沿厚度方向制備樣品,由圖4可見：母材組織正常,為固溶態奧氏體組織,未見腐蝕孔隙、晶間腐蝕、溝狀組織等缺陷。 

圖  4  彎頭母材形貌

Figure  4.  Morphology of elbow base material

 

母材試樣的能譜分析結果表明其主要元素成分（質量分數）為：Fe69.19%、Cr19.5%、Ni9.04%、Mn1.43%、Si0.84%,其主合金元素及含量與0Cr18Ni9不銹鋼基本相符。 

2.3   微觀形貌

采用掃描電鏡觀察彎頭泄漏區域外表面形貌,由圖5可見,泄漏區域外表面形態存在“泥紋”狀腐蝕形貌,腐蝕產物脫落區域的基體可見多個腐蝕孔洞和沿晶微裂紋。能譜分析結果表明腐蝕產物主要含有O、Fe和少量的Cl、S元素,為基體腐蝕產物。 

圖  5  外表面形貌

Figure  5.  Morphology of outer surface

 

采用掃描電鏡觀察彎頭泄漏區域內表面形貌,由圖6可見,漏區域內表面存在腐蝕現象,腐蝕產物脫落區域的基體可見腐蝕孔洞和沿晶微裂紋,還可見分叉、斷續沿晶微裂紋。能譜分析結果表明腐蝕產物主要含有O、Fe、Cr和少量的S、Cl元素,為基體的腐蝕產物。 

圖  6  內表面形貌

Figure  6.  Morphology of inter surface

 

2.4   顯微組織

在彎頭泄漏區域附近沿橫截面制備金相試樣進行觀察,采樣位置見圖7,分別是母材（位置1）,熱影響區外表面（位置2）,熱影響區內部（位置3）,泄漏通道（位置4）,焊縫熔合線（位置5）和焊縫內表面（位置6）。由圖8可見：母材組織為孿晶奧氏體組織,晶界未見異常。熱影響區外表面存在明顯的沿晶腐蝕及沿晶微裂紋,腐蝕深度約0.2 mm,表明外表面熱影響區的腐蝕為晶間腐蝕。熱影響區域組織與母材組織及熔合線區域的組織存在明顯差異,熱影響區奧氏體晶界上存在網狀分布的顆粒狀碳化物,表明該區域組織在焊接后存在敏化現象。泄漏區域存在一定深度的沿晶腐蝕現象,沿晶腐蝕呈斷續狀,逐層磨拋后觀察到最長一處沿晶腐蝕深度約1.5 mm,表明泄漏區域的腐蝕均為晶間腐蝕,并存在明顯的泄漏通道。焊縫熔合線區域組織正常,未見明顯的氣孔、焊接熱裂紋、夾雜等焊缺陷。內表面焊縫及熔合線的剖面上觀察不到明顯的腐蝕現象（黑色氧化物）,表明內表面腐蝕深度較淺,但是存在腐蝕凹坑。 

圖  7  金相組織采樣位置

Figure  7.  Sampling of location metallographic structure

 

圖  8  彎頭不同位置的金相組織

Figure  8.  Metallographic structure of elbow at different positions

 

3.   分析與討論

3.1   結果分析

彎頭母材正常,彎頭部分焊縫熱影響區發生了晶間腐蝕,在鹽霧環境中,S2-、Cl-引起局部腐蝕（點蝕）,導致介質穿孔泄漏。 

彎頭焊接過程中焊接參數控制不當,焊縫熱影響區發生敏化,引起晶間腐蝕。后續焊縫進行酸洗鈍化處理會加劇晶間腐蝕。焊接因素以及酸洗鈍化工藝對焊縫熱影響區的金相組織影響將進行進一步討論。 

3.2   焊接因素影響

敏化現象指經過固溶處理的奧氏體不銹鋼,在500~850 ℃時,Cr從奧氏體中以碳化物的形式析出,而C在不銹鋼晶粒內部的擴散速度大于Cr的擴散速度,C不斷向奧氏體晶粒邊界擴散,并在晶間形成C和Cr的化合物。熱影響區奧氏體晶界上存在網狀分布的顆粒狀碳化物,而其他位置碳化物析出較少,表明熱影響區組織發生了敏化,從而造成晶間腐蝕。 

敏化現象的發生與焊接時熱輸入量相關,而焊接時的熱輸入量與焊接電流和焊接速率相關。依據《焊工手冊》中對氬弧焊工藝參數的推薦數值,當焊接速率為5 cm/min時,隨著焊接電流的增大,焊縫熱影響區的顯微組織更容易發生晶間腐蝕。 

3.3   酸洗鈍化因素影響

彎頭焊接后,為了保證焊縫外表面的美觀,通常對外表面進行酸洗鈍化。酸洗鈍化工藝所用酸洗鈍化膏的主要組分為：硝酸、氫氟酸、緩蝕劑以及鈍化劑等。根據產品使用說明書,酸洗鈍化方法為涂抹法,酸洗鈍化后采用潔凈水沖洗。 

對于存在晶間腐蝕趨勢的熱影響區,對比經過酸洗鈍化前后試樣表面的掃描電鏡（SEM）觀察結果,酸洗鈍化后的表面晶界更加明顯,晶間腐蝕加劇,見圖9。 

圖  9  酸洗前后試樣的表面SEM形貌

Figure  9.  Surface SEM morphology of samples before (a) and after (b) acid washing

 

4.   結論及建議

為了保證管路系統在后續使用過程中的安全運行,對氮氣管路系統所有彎頭進行滲透檢測。根據彎頭的腐蝕情況進行相應的處理,主要采取了以下措施。 

（1）對于已經發生腐蝕穿孔的彎頭,進行切除更換。彎頭焊接過程嚴格控制焊接熱輸入量,降低焊接電流,控制焊接速率,縮小焊縫熱影響區的寬度,避免引起晶間腐蝕。 

（2）對于焊縫附近發生輕微腐蝕的彎頭,采用測厚儀測量減薄量,根據彎頭的承壓能力評判是否可以繼續使用或者更換。對于腐蝕后彎頭厚度仍可以滿足強度設計要求的,對腐蝕區域進行打磨處理,去除腐蝕層。 

（3）對于表面滲透檢測未發現有任何腐蝕跡象的彎頭,可以繼續使用。 

（4）對所有彎頭進行防腐蝕處理,采用雙組份氟碳防腐涂料。氟碳涂料以特種樹脂、固化劑為主要成分,是常溫固化型有色金屬防腐蝕涂料,抗紫外線能力強,具有極高的化學穩定性,優異的耐溫性能,可以抵抗鹽霧環境下Cl-引起的點蝕。