金屬材料導管出現裂紋情況及方案分析

陳姣麗，吳國建

（航空工業航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441000）

在進行定檢工作時，發現金屬導管處有漏氣聲，進一步檢查發現導管中段有裂紋。該金屬導管組件由多根導管焊接組合而成，導管材料為金屬材料1Cr18Ni9Ti，規格Φ6mm×1mm。

問題導管見圖1，裂紋位于2號導管中部的U字型彎曲段，長約7mm，裂紋與導管軸向約成45°，位于U字型的外側，見圖2。裂紋距2號導管左側三通直線距離約80mm，距右側三通直線距離約119mm。開裂部位未見塑性變形，裂紋附近導管外表面也未見異常接觸痕跡。

圖1 故障導管組件（前視圖）

圖2 故障燃氣導管組件局部（俯視圖）

1 表面形貌、成分檢查和對比分析

1.1 裂紋附近內表面

金屬材料于一定的腐蝕環境中，被應力作用，因著金屬本身微觀徑路在設限范圍內產生腐蝕而呈現裂紋的現象稱應力腐蝕裂紋。應力腐蝕裂紋的特征是金屬外表為脆性機械斷裂。裂紋只產生于金屬的部分區域，由內向外發展，通常是與作用力保持垂直狀態。金屬材料應力腐蝕裂紋同簡單因應力導致的破壞不一樣，其腐蝕在極其微弱的應力條件下也可以產生；金屬材料應力腐蝕裂紋同單一因腐蝕造成的破壞也不一樣，其腐蝕性最為微弱的介質也可以導致腐蝕裂紋。

將裂紋附近導管縱向剖開，導管內表面裂紋長約8mm、寬約半個圓周的導管內表面顏色斑駁，大部分區域呈黃褐色，局部呈灰黑色，有明顯腐蝕特征和附著物。裂紋處也呈黃褐色，裂紋末端均有分叉。剖開的導管其余部分呈淺黃色。

在掃描電鏡下觀察2號導管內表面，可見黃褐色區有明顯泥紋狀和塊狀附著物，灰褐色區域可見腐蝕孔洞，淺黃色區域也能見到一層膜狀附著物覆蓋在導管表面。

圖3 導管內表面黃褐色區宏觀形貌

用能譜儀分析不同區域附著物成分，可見黃褐色區域除導管基體的Fe、Cr、Ni元素外，含有較高的O元素和Cl元素，淺黃色區域也有O元素和Cl元素，Cl元素含量略低于黃褐色區，能譜分析結果見表1。

導管內表面裂紋兩側可見塊狀、膜狀附著物，且裂紋邊緣有腐蝕坑，分析結果如表1所示。

表1 導管內表面能譜分析結果（wt%）

1.2 對比分析

在2號導管遠離裂紋部位及1號導管上分別剖開一段，檢查導管內表面形貌，可見2號導管內表面呈黃褐色，與裂紋附近顏色相似，而1號導管內表面基本為銀灰色，二者明顯不同。

在掃描電鏡下觀察，2號導管內表面可見膜狀附著物，局部有腐蝕坑，附著物成分與裂紋附近成分相似。

1號導管內表面平整，未見異常腐蝕特征，能譜分析未見Cl元素，分析結果見表1。

2 裂紋斷口分析

將裂紋打開觀察斷口，整個斷口呈黃褐色，斷口較粗糙，有分層，沒有明顯放射線或疲勞弧線特征。從斷口上看，裂紋在導管內表面的擴展略長于外表面，且越靠近內表面，斷口顏色越深。

在掃描電鏡下觀察斷口形貌，大部分斷口表面可見附著物及泥紋花樣，靠近內表面局部斷口有腐蝕特征，在靠近外表面的斷口局部可以見到撕裂棱線，裂紋擴展后期還有分層現象。

能譜分析表明表面附著物主要含O、Cl及Fe、Cr、Ni等元素。分析結果見表2。人為打開部位斷口為韌窩形貌。

表2 裂紋斷口不同部位的能譜分析結果

3 硬度檢查

在裂紋附近取樣測量導管基體的顯微硬度，平均值為181.6HV0.3，對照黑色金屬硬度強度換算表，換算強度約為613MPa，符合金屬材料管材抗拉強度≥550MPa的技術要求。

4 分析討論

4.1 裂紋性質

裂紋部位沒有宏觀塑性變形，從例圖的內表面看，裂紋兩側有腐蝕特征，斷口上可見腐蝕特征和明顯腐蝕產物覆蓋，微觀上主要為撕裂棱線特征，且裂紋有較多分叉，上述特征表明該裂紋具有應力腐蝕的形貌特征[1]，裂紋性質為應力腐蝕開裂。導管內表面裂紋略長于外表面，且越靠近內表面腐蝕越嚴重，因此，該裂紋從內表面起源。

金屬材料于一定的腐蝕環境中，被應力作用，因著金屬本身微觀徑路在設限范圍內產生腐蝕而呈現裂紋的現象稱應力腐蝕裂紋。應力腐蝕裂紋的特征是金屬外表為脆性機械斷裂。裂紋只產生于金屬的部分區域，由內向外發展，通常是與作用力保持垂直狀態。金屬材料應力腐蝕裂紋同簡單因應力導致的破壞不一樣，其腐蝕在極其微弱的應力條件下也可以產生；金屬材料應力腐蝕裂紋同單一因腐蝕造成的破壞也不一樣，其腐蝕性最為微弱的介質也可以導致腐蝕裂紋。

4.2 開裂原因

應力腐蝕裂紋的形成必須具備以下三個條件：首先要求特殊的材料狀態，其次，還必須有一個拉應力，另外，還必須具備一定的腐蝕環境，其腐蝕介質的濃度不一定很高[1]。

2號導管內表面顏色呈淺黃色或黃棕色，與正常導管的銀灰色有明顯差異。裂紋附近可見腐蝕特征及大量腐蝕產物附著，局部已經形成腐蝕孔洞，同時裂紋兩側表面也有腐蝕現象和腐蝕產物附著，表明導管內部、特別是裂紋附近存在腐蝕環境。能譜分析表明，導管內表面以及裂紋斷口上的附著物除導管基體成分外，均主要含O、Cl等元素。金屬導管組件由5根直徑6mm的導管焊接而成，導管組件有5個接頭與其他導管或機構相連，2號導管位于組件中段，從結構上看，金屬導管組件不可避免存在安裝應力，此時，2號導管U型段就會受到扭轉或拉伸載荷的作用。本次問題導管斷裂處的內部腐蝕較為嚴重，金屬管道的材質應力腐蝕開裂是以晶間腐蝕為先導的脆性斷裂。主要位置在形成點蝕的部位及裂縫處。開裂的行程過程是在應力的持續作用下使位錯產生滑移，形成新的臺階，Cl-的進入導致保護膜再一次被破壞和pH的降低，金屬再次溶解局部腐蝕逐漸加深，這樣往復循環導致應力腐蝕裂紋的行程和擴展，在此過程中只需要較少（數個ppm）的氯離子濃度就能引起奧氏體不銹鋼的應力腐蝕開裂[2]。上文所述的問題導管裂紋處的腐蝕形貌及產物分析，完全滿足應力腐蝕的三要素。

問題導管組件在工作時內部通高壓氣體，不工作時內部為空氣。本次發生故障的導管并未使用過，定檢時內部通氣體，因此，組裝后金屬導管沒有接觸腐蝕性介質的機會[3]。導管組件中2號導管腐蝕嚴重，但1號導管內部顏色正常，能譜分析未發現Cl元素，說明腐蝕介質出現在導管組件焊接之前。查問題導管組件工藝過程，工藝流程為：領料、酸洗、焊接、鉗加工、檢驗[4]。

從問題導管的加工流程來看，導管焊接前需用濃度≥50%的鹽酸（HCl）溶液進行酸洗，除此以外，無任何接觸Cl元素的機會。結合裂紋部位能譜分析結果，分析認為，2號導管酸洗后清洗不及時或不徹底，造成內表面腐蝕，甚至有少量鹽酸殘留在導管內部，導管組件焊接后，內部殘留的HCl在局部形成腐蝕環境，最終導致導管開裂[5]。綜上分析，問題導管組件應力腐蝕開裂的原因是2號導管酸洗后清洗不及時或不徹底，局部形成腐蝕環境，在長期拉應力的作用下導致導管開裂。

5 結論和建議

（1）問題導管裂紋性質為應力腐蝕裂紋，裂紋從導管內表面起始。

（2）問題導管組件應力腐蝕開裂的原因是2號導管酸洗后清洗不及時或不徹底，局部形成腐蝕環境，在長期拉應力作用下導致導管開裂。

（3）建議加強對問題導管酸洗后的清洗或去掉酸洗工序，改用其他利于焊接的清洗方式。