304不銹鋼管件裂紋原因分析及對策

陶 濤

304不銹鋼管件裂紋原因分析及對策

陶 濤

（中國石化勝利油田分公司石油化工總廠，山東 東營 257000）

在某新建常減壓裝置（約閑置六年）檢查中，發現304不銹鋼（06Cr19Ni10）管件（法蘭、彎頭、三通）多處存在裂紋。對存在貫穿裂紋的兩片法蘭解剖取樣檢測分析，其他管件進行了表面探傷、金相檢查和硬度檢測抽查。綜合分析各項檢驗檢查結果，認為由于管件的固溶熱處理未達到要求，金相組織存在奧氏體組織不均勻，碳化鉻的析出相，析出相周邊存在疑似裂紋，是導致裂紋的產生和擴展的主要原因；304不銹鋼（06Cr19Ni10）管件必須嚴格控制固溶熱處理質量，并對產品進行金相檢驗。

304不銹鋼；管件裂紋；固溶熱處理；金相檢驗

304不銹鋼（06Cr19Ni10）具有良好的耐熱性能、耐腐蝕性能、冷熱加工性能及焊接性能，廣泛應用于煉油化工裝置的高溫腐蝕部位，對保證裝置的安全運行至關重要。在某新建常減壓裝置檢查中，發現304不銹鋼（06Cr19Ni10）管件（法蘭、彎頭、三通）多處存在裂紋，嚴重影響裝置的安全運行。為分析清楚304不銹鋼管件發生裂紋的原因和機理，徹底消除隱患，對存在貫穿裂紋的兩片法蘭解剖取樣檢測分析，其他部位進行了表面探傷、金相檢查和硬度檢測。綜合分析認為，由于管件的固溶熱處理未達到要求，金相組織存在奧氏體組織不均勻，碳化鉻的析出相，析出相呈顆粒狀、條帶狀、鏈狀分布，析出相周邊存在疑似裂紋等，導致裂紋的產生和擴展。外表面探傷未發現裂紋的管件，亦存在內表面存在裂紋或運行過程中再產生裂紋的可能性，需慎重處理。

1 不銹鋼管件進行表面檢查

1.1 外表面滲透檢驗

共計檢測27條管線，合計法蘭檢測數量311片，依據NBT47013.5《無損檢測.滲透檢測》，檢出問題管件共計14件，9片法蘭、3件大小頭、1件三通、1件彎頭。例舉：編號P-10714 、法蘭尺寸DN150 發現表面裂紋整圈，法蘭側，母材處和靠近焊縫處（見圖1）。

1.2 金相檢驗

共檢測11條管線法蘭和彎頭，依次編號1～11#，依據GBT 17455—2008 《無損檢測 表面檢測的金相復型技術》的要求進行現場金相檢驗，檢驗結果見表1及圖2～4。法蘭金相組織為奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀、條帶狀、鏈狀分布，其中11#點組織中析出相周邊存在疑似裂紋。

圖1 P-107

圖2 1#法蘭金相組織（400×）

圖3 6#法蘭金相組織（400×）

圖4 11#彎頭金相組織（400×）

1.3 硬度檢驗

依據標準GB/T 20878—2007, 304不銹鋼的布氏硬度值≤201。驗結果在合格范圍內。硬度檢驗結果見表1。

1.4 其他檢查

用磁鐵對所有304不銹鋼法蘭進行鐵磁性檢查，均呈現出較強的鐵磁性，表現為非正常奧氏體組織。

2 化學成分復查

依據標準GB/T 20878—2007，304不銹鋼的組分標準值如表2。

表1 金相檢驗結果硬度檢驗結果統計

存在貫穿裂紋的法蘭取4個式樣，進行組分測試，結果見表2。

將測試平均值與標準組分進行對比，試樣的中各組分與標準值相近，Mn較標準值低0.57左右。

表2 試樣組分測試值 %

3 兩件存在貫穿裂紋法蘭的金相檢驗

母材組織較為細小均勻，但是晶界上存在大量的析出相，經EDS分析，析出相為富Cr相，可能為Cr23C6碳化物。光學顯微鏡觀察母材晶界處存在一些黑色的條狀物，經SEM分析，該類條狀物為沿晶界產生的微裂紋，試樣焊縫及母材金相照片如圖5示。

主裂紋及二次裂紋均為沿晶裂紋，裂紋處金相照片如圖6。

圖5 試樣金相圖片

圖6 法蘭裂紋處金相圖片

4 304不銹鋼管件裂紋原因分析

1）由金相照片可得，母材組織為典型的單相奧氏體組織，金相圖中存在較多的細長條狀微裂紋。母材組織晶界上存在大量的析出相，經EDS分析，析出相為富Cr相，可能為Cr23C6碳化物。

2）堆焊焊縫組織為柱狀晶奧氏體組織，在靠近熔合線附近奧氏體柱狀晶會有一定程度的變形。

3）根據裂紋截面金相照片，初步判斷開裂形式為沿晶開裂。裂紋間存在大量富碳物質（70%左右）以及晶界處的析出相。

4）304不銹鋼法蘭按現行產品標準，供貨態為固溶處理。法蘭金相組織為奧氏體+析出相，如果按標準要求進行了固溶處理，析出相應該被吸收。

5）鐵素體主要存在于析出相中，數量較多，故法蘭呈現出較強的鐵磁性。

6）化學成分和硬度檢測基本符合標準要求。

綜合以上檢查和分析，304不銹鋼管件未按標準要求進行固溶處理，金相組織存在大量析出相，析出相呈顆粒狀、條帶狀、鏈狀分布，析出相周邊存在疑似裂紋等，是裂紋產生和擴展的主要因素。

5 結論及建議

1）304不銹鋼管件在安裝完成（未投入生產）后，存在常溫下產生裂紋的可能。

2）固溶處理不夠充分，奧氏體組織晶界上存在大量的析出相，是導致304不銹鋼管件裂紋產生和發展的主要原因。

3）應對304不銹鋼管件的固溶熱處理進行嚴格的質量控制，進行金相檢查，確保固溶熱處理達到要求。

4）對于圓筒型承壓設備，其內壁應力高于外壁應力，在外壁出現缺陷時，理論上內壁出現缺陷的可能性不低于外壁，因此管道內壁的缺陷問題亦需特別重視。

［1］孫京麗，周海濤，陳莉. 晶粒尺寸對304奧氏體不銹鋼組織演變和性能的影響[J].材料研究學報，2020 (3)：231-240.

［2］何朋非，李登科，周夢保. SUS304不銹鋼三通裂紋產生原因分析[J]. 理化檢驗：物理分冊，2018 (1): 71-73.

Cause Analysis and Countermeasures of 304 Stainless Steel Pipe Fittings Cracks

(Sinopec Shengli Oilfield Branch Petrochemical Factory, Dongying Shandong 257000, China)

During the inspection of a newly-built atmospheric and vacuum unit (unused for 6 years), it was found that there were multiple cracks in 304 stainless steel (06Cr19Ni10) pipe fittings (flanges, elbows, tee). The two flanges with penetrating cracks were dissected and sampled for inspection and analysis, and other pipe fittings were subjected to surface inspection, metallographic inspection and hardness inspection spot checks. Based on the comprehensive analysis of the inspection results, it was believed that the unqualified solution heat treatment of the pipe fittings, uneven austenite structures in the metallographic structure, the precipitated phase of chromium carbide, and suspected cracks around the precipitated phases led to the generation and propagation of cracks. It was suggested that for 304 stainless steel (06Cr19Ni10) pipe fittings, the quality of solution heat treatment must be strictly controlled, and metallographic inspection must be conducted for all the products.

304 Stainless steel; Pipe cracks; Solution heat treatment; Metallographic inspection

2020-10-15

陶濤（1963-），男，高級工程師，山東省東營市人，1984年畢業于華東石油學院化機專業，從事煉油化工設備技術及管理工作。

TQ050.4+1

A

1004-0935（2020）12-1514-03