波形膨脹節開裂的失效分析

孔令雷 聞 強

（化學工業設備質量監督檢驗中心)（安徽昊源化工集團有限公司）

波形膨脹節開裂的失效分析

孔令雷*聞 強

（化學工業設備質量監督檢驗中心)（安徽昊源化工集團有限公司）

分析了304不銹鋼波形膨脹節開裂的原因，并采取有效措施預防惡性事故的發生。通過理化分析發現，304奧氏體不銹鋼在冷加工成形時會發生馬氏體相變；在開、停車情況下或保溫不良時會形成濕硫化氫環境，因此含形變馬氏體的304奧氏體不銹鋼會發生濕硫化氫引起的氫致開裂 （HIC）或應力導向氫致開裂 （SOCHIC），當裂紋擴展到某一臨界尺寸時便會發生低應力脆斷。

304不銹鋼 亞穩態 馬氏體相變 濕硫化氫 氫致開裂 波形膨脹節

某集團化工企業使用的材質為304奧氏體不銹鋼的管道膨脹節，從2004年至今發生了多次開裂、炸裂事故。有的膨脹節使用時間稍長，達10年，有的使用時間很短，僅為3個月。部分膨脹節的事故情況如表1所示。

受該企業委托，化學工業設備質量監督檢驗中心對其中一件膨脹節進行了取樣分析，取樣部位包含開裂部位。該膨脹節于2009年1月投用，2009年4月發生開裂泄漏，導致系統停車檢修，并更換了該膨脹節。本次失效分析從外觀檢驗、壁厚測定、鐵素體測定、硬度測定、材料成分分析、金相檢驗等幾個方面入手，討論開裂的原因并提出了檢驗及預防措施。

1 外觀檢驗和材料成分分析

樣品外表面呈鐵銹色，內表面呈銀白色；樣品斷面厚度基本無變化；樣品有強烈的磁性；樣品上可見一條主要裂紋，其內表面裂紋長度70 mm，外表面裂紋長度55 mm，顏色發黑，初步判斷該裂紋由內表面產生，擴展至外表面。

采用便攜式合金分析儀，在樣品內外表面各分析2點，分析前先將分析部位處理干凈。分析所得數據如表2所示。由表2可見，分析結果是樣品元素含量與標稱材質304元素含量相符。

表1 膨脹節歷次開裂、炸裂事故一覽表

表2 材料成分分析結果

2 壁厚測定

采用超聲波測厚儀，在樣品上按周向等距測定3個截面，每個截面的測點位置如圖1所示。測厚所得數據如表3所示。

圖1 測點位置

表3 厚度測定結果 （mm）

測厚結論：波峰部位厚度輕微減薄，系制造成形所致；膨脹節在開裂前未發生明顯的塑形變形，斷裂為脆性斷裂。

3 鐵素體測定

采用便攜式鐵素體測定儀，在樣品上按周向等距測定3個截面，每個截面測點位置按圖1所示；測得的鐵素體含量范圍為35%～52%，說明樣品的金相組織已非正常的奧氏體組織。正常的304奧氏體不銹鋼鐵素體含量很低，一般不大于5%。

結論：該樣品金相組織中含有大量的鐵素體或馬氏體組織。

4 硬度測定

采用便攜式硬度測定儀，在樣品上按周向等距測定3個截面，每個截面測點位置如圖1所示。硬度測定所得數據如表4所示。

表4 硬度測定結果 （HB）

結論：樣品硬度范圍遠大于正常304奧氏體不銹鋼硬度范圍（一般不大于HB200）；產生這種變化一般有兩種可能，一是波形膨脹節在冷加工時產生加工硬化，二是在使用過程中金相組織發生劣化。

5 金相分析

采用便攜式現場金相分析儀進行金相分析，內表面裂紋部位及完好部位各分析1點，膨脹節裂紋形貌和金相組織如圖2～圖5所示。

金相分析結論：經微觀金相觀察分析，樣品顯微組織形態為奧氏體晶粒上析出板條狀的馬氏體，馬氏體含量約占30%～50%；裂紋形態為沿晶裂紋。

圖2 膨脹節裂紋形貌（100×）

圖3 膨脹節裂紋形貌（40×）

圖4 膨脹節金相組織（100×）

圖5 膨脹節金相組織（400×）

6 失效原因分析

304不銹鋼為奧氏體類不銹鋼，一般金相組織為單相奧氏體。但國內外材料研究人員發現，304不銹鋼的奧氏體組織是亞穩態的，在冷變形時會造成馬氏體的相變。變形量越大，產生的形變馬氏體就越多。形變馬氏體有鐵磁性，硬而且脆。另外，焊接及其他熱加工工藝會造成晶界貧鉻，促使馬氏體相生成，但僅限于焊縫及熱影響區或加熱部位，且含量一般較低。因此樣品中的馬氏體組織應是在膨脹節冷加工成形過程中產生的，含量30%～50%，且為板條狀。馬氏體組織強度和硬度要遠高于奧氏體組織，但塑性和韌性很低，在應力集中部位，例如膨脹節波峰附近，有可能發生脆斷。

由于工作介質中含有硫化氫和蒸汽，在開、停車或外部保溫不良時，蒸汽會在304材料內壁形成冷凝水，介質中的硫化氫溶解后形成濕硫化氫環境。含形變馬氏體的304奧氏體不銹鋼在濕硫化氫腐蝕環境中發生濕硫化氫引起的氫致開裂 （HIC）或應力導向氫致開裂 （SOCHIC）。形變馬氏體一般為裂紋源，當裂紋擴展到某一臨界尺寸時便發生了低應力脆斷型的開裂或炸裂。所以，奧氏體組織中含有較高馬氏體相是膨脹節開裂的直接原因。

7 預防失效措施

（1）對于奧氏體不銹鋼制膨脹節，相關標準要求冷成形后不需進行熱處理；熱成形的，需進行固溶處理，并在需要時加做穩定化處理；但對亞穩態的304不銹鋼制膨脹節最好增加固溶處理和穩定化處理，這一點在訂貨時應提出要求，尤其是可能在濕硫化氫條件下使用的膨脹節。產品驗收時應對磁性、硬度進行檢查，產品應無磁性，硬度一般要求≤HB200。

（2）使用中應盡量避免產生濕硫化氫環境，如加強膨脹節外部保溫，開、停車時介質置換充分、升溫充分等。

（3）加強定期檢驗和現場巡檢，及時發現問題，避免嚴重事故發生。

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Analysis on Cracking Failure of the Bellows Expansion Joint

Kong LingleiWen Qiang

The reason for the cracking failure of bellows expansion joint was analyzed and effective precautions were proffered.Through physical and chemical properties analysis,it is found that the martensite phase transformation occurred in the matrix of 304 austenitic stainless steel during the cold forming.Under the condition of machine switching on and off or poor heat preservation,a wet hydrogen sulfide corrosion environment was formed, giving rise to hydrogen-induced cracking (HIC)or stress-oriented hydrogen-induced cracking (SOCHIC)which leaded to low stress brittle fractures when the cracks propagated to the critical sizes.

304 stainless steel;Metastable state;Martensite phase transformation;Wet hydrogen sulfide; Hydrogen-induced cracking;Bellows expansion joint

TQ 050.3

2014-03-14）

*孔令雷，男，1973年生，高級工程師。南京市，210036。