某公司輸氣管道項目中304不銹鋼管破裂的原因分析

 某公司輸氣管項目使用的304不銹鋼管，采用焊接方式連接，焊接工藝為手工電弧焊，304不銹鋼管內(nèi)輸送介質(zhì)為含硫化氫等腐蝕介質(zhì)的富氨液，管內(nèi)介質(zhì)壓力0.5MPa，介質(zhì)溫度35～45℃，運行半年后停產(chǎn)半年，復產(chǎn)時即在鋼管焊接接頭附近發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。通過宏觀低倍、微觀金相、化學成分分析以及掃描電鏡分析等一系列方法，對該304不銹鋼管裂紋形成原因進行分析。結(jié)果表明：該304不銹鋼管的破裂原因為連多硫酸應力腐蝕破裂，通過向該304不銹鋼管內(nèi)吹掃氬氣，密封兩端口，可避免連多硫酸應力腐蝕破裂。焊接時降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，也可降低連多硫酸應力腐蝕破裂的可能性。

 某公司輸氣管項目使用奧氏體不銹鋼管，牌號為304，型號為DN350，壁厚為5ｍｍ，鋼管采用焊接方式連接，焊接工藝為手工電弧焊工藝。該奧氏體不銹鋼管內(nèi)輸送介質(zhì)為含硫化氫等腐蝕介質(zhì)的富氨液，管內(nèi)介質(zhì)壓力0.5MPa，溫度35～45℃，運行半年后停產(chǎn)半年，復產(chǎn)時即在鋼管焊接接頭附近發(fā)現(xiàn)橫向裂紋。為確定裂紋的形成原因，本工作在該奧氏體不銹鋼管裂紋附近切取１件試樣，對其裂紋形成原因進行了分析。

一、理化檢驗

  開裂奧氏體不銹鋼管形貌貌見圖，由圖可見：焊接熱影響區(qū)寬度達20ｍｍ，裂紋均產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)內(nèi)。

 1. 低倍檢驗

  在奧氏體不銹鋼管裂紋附近切?。奔v截面低倍試樣，觀察鋼管的裂紋擴展深度情況及鋼管的低倍組織。試樣采用50％（體積分數(shù)，下同）鹽酸水溶液侵蝕后，其縱低倍組織形貌見圖。由圖可見：裂紋是從內(nèi)表面向外表面逐漸擴展的，除熱影響區(qū)附近的裂紋外，未見其他不允許的冶金缺陷。由圖可見：鋼管主裂紋基本呈橫向，枝裂紋沿主裂紋兩側(cè)，呈網(wǎng)狀裂紋擴展。

 2. 化學成分

 304不銹鋼管的化學成分分析結(jié)果見表。由表可見，各元素含量均符合GB/T 1220-2007 標準的要求。

 3. 宏觀斷口形貌

  將裂紋掰開后，裂紋斷口宏觀形貌見圖。由圖可見：斷面上有一層黑灰色的腐蝕產(chǎn)物，但依稀可見斷口是呈結(jié)晶狀的脆性斷口。

 4. 金相檢驗

  在低倍試樣裂紋處切取高倍試樣，磨制其縱向面，在光學金相顯微鏡下觀察，裂紋微觀形貌見圖。裂紋呈網(wǎng)狀裂紋，經(jīng)王水溶液腐蝕后在光學金相顯微鏡下觀察，裂紋為沿晶裂紋。鋼管焊縫處顯微組織為奧氏體＋鐵素體，熔合線處顯微組織為奧氏體，鋼管基體顯微組織為奧氏體，鋼管基體晶粒度為4.5級，熱影響區(qū)晶粒度也為4.5級。

 5. 掃描電鏡分析結(jié)果

  將304不銹鋼管裂紋掰開后，采用掃描電鏡觀察斷口表面清洗前后的形貌，裂紋斷口表面形貌，見圖。由圖可見：整個斷面均為冰糖狀沿晶斷口。腐蝕產(chǎn)物微區(qū)成分能譜見圖，以硫、鐵、氧等元素為主。

二、分析與討論

 該304不銹鋼管在焊接熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生裂紋，并且焊接熱影響區(qū)較寬。通常情況下，若焊接過程中產(chǎn)生裂紋，多為焊接結(jié)晶時產(chǎn)生的焊接熱裂紋，或焊后一段時間產(chǎn)生的焊接冷裂紋。而奧氏體不銹鋼管開工使用半年后未見裂紋，停工半年后復工時立即發(fā)現(xiàn)裂紋，這表明裂紋并非焊接裂紋。

 由裂紋宏觀形貌可見，裂紋有主干，有分支，主干裂紋為橫向裂紋，裂紋產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū)附近，此處在焊接接頭收縮應力下，必然存在軸向的焊接拉伸殘余應力；從裂紋斷口宏觀和微觀形貌來看，裂紋斷口面上存在腐蝕產(chǎn)物。這表明，該奧氏體不銹鋼管既受軸向拉伸殘余焊接應力，又受腐蝕作用，因此該304不銹鋼管裂紋為應力腐蝕裂紋。

 由裂紋斷面腐蝕產(chǎn)物成分可見，腐蝕產(chǎn)物主要含硫、鐵、氧等元素；從裂紋斷面微觀形貌可見，裂紋斷口為冰糖狀的沿晶斷口。這表明，該304不銹鋼管應力腐蝕破裂可能為硫化物應力腐蝕破裂或者連多硫酸應力腐蝕破裂，不是含氯離子的應力腐蝕破裂。而奧氏體組織對硫化物應力腐蝕破裂最不敏感，該鋼管組織全為奧氏體，對硫化物應力腐蝕最不敏感，產(chǎn)生硫化物應力腐蝕破裂的可能性最小，因此，該304不銹鋼管破裂應為連多硫酸應力腐蝕破裂。產(chǎn)生連多硫酸應力腐蝕破裂需要介質(zhì)因素、材料因素和應力因素綜合作用，缺一不可。

  1. 介質(zhì)因素即鋼管內(nèi)壁存在連多硫酸或連多硫酸鹽，連多硫酸一般是由空氣中的氧氣、水和金屬硫化物發(fā)生反應而生成的。從該奧氏體不銹鋼管破裂的情況來看，鋼管內(nèi)介質(zhì)含硫化氫，在使用過程中硫化氫和管壁的鐵發(fā)生反應生成硫化鐵，鋼管在停工半年期間，鋼管必通風，空氣中的氧氣和水進入管內(nèi)，必然和管壁內(nèi)的硫化鐵發(fā)生反應生成連多硫酸。因此，該304不銹鋼管破裂具備了連多硫酸應力腐蝕破裂的介質(zhì)因素。

  2. 材料因素據(jù)有關資料介紹，常規(guī)碳含量的奧氏體不銹鋼在敏化溫度（430～815℃）區(qū)間停留，會對應力腐蝕破裂敏感。該破裂鋼管材質(zhì)為常規(guī)碳鋼，裂紋位置位于焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，熱影響區(qū)必然經(jīng)過敏化溫度區(qū)間的短暫停留，即具備了連多硫酸應力腐蝕破裂的材料因素。

 3. 應力因素鋼管壁厚5ｍｍ，但焊接熱影響區(qū)寬度則高達近20ｍｍ，盡管裂紋不是焊接裂紋，但是，焊接熱影響區(qū)較寬，焊接后由于焊接接頭的收縮，熱影響區(qū)部位必然存在較大的殘余軸拉伸應力作用。因此，該304不銹鋼管具備了連多硫酸應力腐蝕破裂的應力因素。

  綜上所述，該304不銹鋼管同時具備了連多硫酸應力腐蝕破裂的介質(zhì)因素、材質(zhì)因素和應力因素，這就進一步證實，該304不銹鋼管破裂為連多硫酸應力腐蝕破裂。因該304不銹鋼管需焊接，應力因素不可避免，但降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，即可降低鋼管焊接后的殘余焊接應力，從而可降低鋼管連多硫酸應力腐蝕的可能性。另一方面從介質(zhì)因素改進，該奧氏體鋼管在使用過程中，不可避免會在內(nèi)壁產(chǎn)生硫化鐵，在停工時，應用氬氣吹掃管內(nèi)的空氣和水分，并立即密封鋼管的兩端口，避免管內(nèi)存在空氣和水分，即可避免連多硫酸的產(chǎn)生，因此可避免連多硫酸應力腐蝕破裂。事故責任方根據(jù)本工作提供的預防措施，鋼管停工時，用氬氣吹掃管內(nèi)的空氣和水分，并立即密封鋼管的兩端口，未再出現(xiàn)裂紋事故。

三、結(jié)論

 1. 該304不銹鋼管裂紋為連多硫酸應力腐蝕裂紋。

 2. 向該304不銹鋼管內(nèi)吹掃氬氣，密封兩端口，可避免連多硫酸應力腐蝕破裂。焊接時降低焊接電流，加快焊接速率，減小焊接熱影響區(qū)的范圍，也可降低連多硫酸應力腐蝕破裂的可能性。