不銹鋼燃料罐泄漏失效原因分析

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（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南 洛陽 471000）

1 概述

某公司一批不銹鋼燃料罐1998年8月投入使用，設(shè)備規(guī)格為φ500×460×3mm，材料為SUS304，工作壓力：0.08MPa，工作介質(zhì)：無水肼，常溫下使用，近期發(fā)現(xiàn)31個(gè)燃料罐泄漏。現(xiàn)場(chǎng)觀察到泄漏與未泄漏罐子具有相同特點(diǎn)：上、下環(huán)縫及縱縫兩側(cè)10mm區(qū)域存在有點(diǎn)狀腐蝕花紋，上封頭泄漏，下封頭、筒體及焊縫不漏。為分析泄漏失效的原因，防止泄漏的再次發(fā)生，分別抽取1個(gè)已泄漏和未泄漏灌子來進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 宏觀檢測(cè)

從外觀分析，懷疑泄漏是由海洋大氣引起的從外向內(nèi)的腐蝕造成的。但對(duì)已泄漏的未泄漏的罐子，外表面酸洗后，表面點(diǎn)狀腐蝕花紋消失。這與從外向內(nèi)腐蝕的觀點(diǎn)矛盾。

為進(jìn)一步驗(yàn)證腐蝕方向，對(duì)已泄漏燃料罐通過氣密試驗(yàn)及外表面PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)分布于上封頭側(cè)距離封頭與筒體焊縫5～10mm范圍，筒體及下封頭未發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。

另外，對(duì)已泄漏的罐子解剖后觀察發(fā)現(xiàn)：燃料罐內(nèi)部，除上封頭側(cè)距離封頭與筒體焊縫5～10mm范圍存在腐蝕花紋外，其他部位（筒體、下封頭、焊縫）光亮如新，沒有腐蝕花紋。而同樣在外表面存在點(diǎn)狀腐蝕花紋的未泄漏的罐子解剖后PT檢測(cè)內(nèi)部，與已泄漏的罐子對(duì)比，封頭、筒體及焊縫光亮如新，無任何缺陷。

為更好判斷腐蝕從內(nèi)還是從外開始，對(duì)泄漏罐體上封頭內(nèi)外均進(jìn)行PT檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部除存在與外部腐蝕花紋對(duì)應(yīng)的豎狀條形裂紋外，還存在其他未貫穿的豎狀條形裂紋，且內(nèi)部裂紋較外部裂紋更明顯。從PT檢測(cè)結(jié)果分析，判定腐蝕從內(nèi)部開始。

2.2 材料化學(xué)成分分析

為驗(yàn)證是否材料使用問題引起的泄漏，對(duì)所有的罐子用材進(jìn)行了普查，結(jié)果表明燃料罐筒體和封頭用材為SUS304，符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對(duì)已泄漏燃料罐封頭和筒體進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，材料選用符合圖紙要求，材料化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 金相分析

取上封頭帶裂紋的試件1個(gè)、不帶裂紋的試件1個(gè)、下封頭試件1個(gè)做成金相試樣。

（1）帶裂紋試件腐蝕形貌、金相組織。試樣拋光后觀察到：1鋼的夾雜物非常低，純凈度比較高；2上封頭內(nèi)表面有腐蝕現(xiàn)象，周圍有晶界顯現(xiàn)；3上封頭內(nèi)表面有V型腐蝕坑。外表面未發(fā)現(xiàn)有腐蝕現(xiàn)象存在。說明腐蝕方向從內(nèi)向外。

試樣腐蝕后觀察到：①用王水腐蝕試樣時(shí)，裂紋絕大部分為沿晶型；②V型腐蝕坑上有沿晶裂紋；③在熱影響區(qū)以外存在一易腐蝕區(qū)，易腐蝕區(qū)的形變組織比較多，裂紋和點(diǎn)蝕發(fā)生在易腐蝕區(qū)及相近的基體上，裂紋離焊縫最近4.50mm，最遠(yuǎn)6.00mm。

各區(qū)金相組織：①焊縫組織：奧氏體+δ鐵素體；②熱影響區(qū)組織：形變奧氏體和未形變奧氏體+條狀δ鐵素體；③腐蝕區(qū)組織：形變奧氏體和未形變奧氏體+條狀δ鐵素體，大多數(shù)為形變奧氏體組織，該區(qū)域距離焊縫邊緣4～6mm，寬約3～4mm；④母材組織：形變奧氏體和未形變奧氏體+條狀δ鐵素體，大多數(shù)為未形變奧氏體組織。

表1 上封頭及筒體化學(xué)成分 %

（2）不帶裂紋試件及下封頭試件腐蝕形貌、金相組織。上封頭未裂區(qū)及下封頭封頭側(cè)金相顯示：焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)及基體組織與已產(chǎn)生腐蝕裂紋區(qū)的金相組織相同。在距離焊縫邊緣4～6mm，寬約3～4mm區(qū)域同樣存在一大多數(shù)為形變奧氏體組織金相組織結(jié)構(gòu)（與腐蝕區(qū)相比）。

（3）金相結(jié)論。①上封頭距離焊縫4～6mm左右，寬約3～4mm存在一易腐蝕區(qū)，大部分為形變奧氏體組織；②裂紋以沿晶裂紋開裂為主，初步判定該腐蝕類型為晶間腐蝕；③腐蝕從內(nèi)向外。

2.4 掃描電鏡分析

從上封頭裂紋區(qū)取樣3件，其中1#試樣觀察裂紋內(nèi)外形貌，2#試樣觀察貫穿型裂紋斷口形貌，3#試樣觀察未貫穿型裂紋形貌。

（1）裂紋形貌分析。1#試樣形貌：從內(nèi)表面觀察可見，泄漏部位距焊縫約5毫米以外，泄漏部位已形成裂紋，裂紋處及附近有明顯晶粒脫落腐蝕特征。相對(duì)應(yīng)的裂紋外表面也已形成裂紋，裂紋附近無明顯腐蝕特征。對(duì)比內(nèi)外掃描照片可以看到：相對(duì)于外部，內(nèi)部裂紋更長(zhǎng)更寬且存在腐蝕坑，這說明判斷腐蝕方向從內(nèi)向外。2#試樣形貌：斷口表面腐蝕較嚴(yán)重，封頭內(nèi)側(cè)區(qū)域已腐蝕出組織特征。3#試樣形貌：掰開裂紋未完全貫穿試樣，觀察到的斷口的右半部分及上半部分（約占整個(gè)裂紋面的50%）微觀形貌主要呈沿晶特征，見圖1。

圖1 3#晶間腐蝕型微觀形貌 1000x

（2）腐蝕產(chǎn)物能譜分析。對(duì)上封頭裂紋區(qū)內(nèi)表面、上封頭裂紋區(qū)外表面、貫穿型裂紋斷口、未貫穿型裂紋斷口進(jìn)行了能譜分析。從能譜分析中可見腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物，腐蝕產(chǎn)物中含有較多Cl、S元素，外表面遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于內(nèi)表面，貫穿型多于未貫穿型。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前面金相及掃描電鏡分析，判斷腐蝕類型為晶間腐蝕，腐蝕方向從內(nèi)向外。參考可能引起材料晶間腐蝕開裂的因素，從封頭冷加工過程中產(chǎn)生的形變組織、焊接熱循環(huán)引起材料的敏化、使用工況及使用流程三個(gè)方面分析引起的晶間腐蝕原因。

（1）封頭冷加工產(chǎn)生的金相組織分析。從前面金相分析可見，上封頭腐蝕開裂區(qū)金相組織與上封頭完好區(qū)及下封頭金相組織完全相同，在距離焊縫邊緣4～6mm，寬約3～4mm區(qū)域同樣存在一形變奧氏體組織占多數(shù)的金相組織結(jié)構(gòu)（與腐蝕區(qū)相比）。而泄漏只發(fā)生在上封頭上，這說明封頭冷壓成型過程中產(chǎn)生的組織變化不是導(dǎo)致晶間腐蝕產(chǎn)生的根本原因。

（2）焊接熱影響試驗(yàn)分析。為驗(yàn)證材料的耐晶間腐蝕能力，除驗(yàn)證材料成分外，從筒體及上封頭母材上取樣，按照GB/T4334-2008 E法標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。①在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，上封頭、筒體及焊縫皆未發(fā)生晶間腐蝕現(xiàn)象。這說明封頭、筒體材料及焊接材料本身沒有問題。②根據(jù)泄漏部位處于400～800℃敏化區(qū)，為驗(yàn)證焊接熱對(duì)材料晶間腐蝕的影響，對(duì)上封頭母材取樣進(jìn)行了650℃/10min的敏化模擬，結(jié)果同樣未出現(xiàn)晶間腐蝕開裂。結(jié)果說明焊接熱循環(huán)并非是引起燃料罐發(fā)生泄漏的根本原因。

（3）使用流程分析。對(duì)上封頭裂紋內(nèi)外表明及斷口進(jìn)行能譜掃描發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的Cl、S離子。根據(jù)HG 20581-1998標(biāo)準(zhǔn)查明，可能引起奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的電解質(zhì)主要是酸性介質(zhì)，而Cl、S離子的存在將增加奧氏體不銹鋼晶間腐蝕傾向，對(duì)使用流程進(jìn)行著重排查，在充裝介質(zhì)中混進(jìn)了酸性介質(zhì)。

3 結(jié)語

（1）采用304材料的燃料罐已經(jīng)使用近20年，說明采用304材料制造的未泄漏和新制燃料罐可以繼續(xù)使用。

（2）燃料罐腐蝕泄露的主要原因是使用過程中酸性介質(zhì)的混入，不銹鋼形成了晶間腐蝕裂紋，進(jìn)一步發(fā)展貫穿造成泄漏。

（3）在使用過程中，要加強(qiáng)對(duì)介質(zhì)的管理，杜絕酸性介質(zhì)的混入，同時(shí)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行管控，有效隔絕海洋大氣對(duì)燃料罐的侵蝕。

（4）加強(qiáng)定期檢驗(yàn)工作，早排查，早發(fā)現(xiàn)事故隱患，保證使用安全。