某食品車間蒸汽鍋爐壓力管道開裂原因分析

林 寅*

（福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院）

0 引言

奧氏體不銹鋼不僅韌性好、耐腐蝕且外形美觀，在食品工業(yè)中被廣泛使用，奧氏體不銹鋼蒸汽管道在食品企業(yè)中保有量較大。但在實(shí)際使用過程中，奧氏體不銹鋼蒸汽管道也并非真的“不銹”，其內(nèi)表面經(jīng)常發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕及氯化物應(yīng)力腐蝕開裂，奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕具有以下特點(diǎn)：（1）裂紋隱蔽性較強(qiáng)，不易察覺；（2）通常為脆性開裂，對設(shè)備本體危害較大，一旦開裂將會(huì)造成災(zāi)難性的后果；（3）母材比焊縫部位容易開裂，因?yàn)楹缚p中含有一部分網(wǎng)狀鐵素體，網(wǎng)狀鐵素體會(huì)切斷應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展通道，阻斷裂紋快速擴(kuò)展。基于以上幾點(diǎn)，對奧氏體不銹鋼蒸汽管道氯化物應(yīng)力腐蝕開裂的原因進(jìn)行分析十分必要，可以使企業(yè)避免管道發(fā)生失效事故[1-5]。

1 管道概況

在對某食品車間蒸汽鍋爐壓力管道進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其彎頭內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)大量裂紋，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及安裝竣工資料可知該壓力管道材質(zhì)為SUS304，管道起止點(diǎn)為蒸汽鍋爐至食品車間用汽設(shè)備，使用年限為8 a。GB/T 1576—2018《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)中并未要求對工業(yè)鍋爐水質(zhì)中氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測，因此使用單位及有關(guān)監(jiān)管部門一直未對該鍋爐鍋水氯離子含量進(jìn)行有效監(jiān)管。該食品企業(yè)因生產(chǎn)衛(wèi)生需要，在廠內(nèi)工業(yè)用水中加入了一定量的次氯酸用來殺菌，并采用這些工業(yè)用水并經(jīng)軟化處理后作為鍋爐給水。對鍋爐給水、鍋水中氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果顯示給水氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.9×10-6，鍋水氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)689.9×10-6；最后由鍋水蒸發(fā)產(chǎn)生的飽和蒸汽中也存在高濃度的氯離子，這部分蒸汽進(jìn)入管道后將對奧氏體不銹鋼造成極大的危害。經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，該管道彎管均未見材質(zhì)標(biāo)識(shí)，為冷彎管，彎曲半徑為4D（直徑），外觀呈現(xiàn)明顯的軸向拉絲紋理，褶皺明顯，剖開彎管后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面存在大面積密集型裂紋，裂紋開口較大，呈階梯狀斷續(xù)延伸。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 硬度檢測

沿管道內(nèi)表面的圓周方向均勻取5點(diǎn)，記為H1～H5，如圖1所示。對彎管內(nèi)表面H1～H5進(jìn)行布氏硬度檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

圖1 管道內(nèi)表面裂紋情況

表1 彎管內(nèi)表面硬度檢測結(jié)果 HB

根據(jù)GB/T 13401—2017《鋼制對焊管件 技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，從表1可以看出，彎管硬度實(shí)測值已超出標(biāo)準(zhǔn)值22.9%～32.3%，硬度明顯偏高。

2.2 鐵素體測定

經(jīng)測試，該彎管具有一定的磁性，但管道材料SUS304為奧氏體組織，理論上是不存在磁性的。因此對彎管進(jìn)行FN數(shù)值測量（FN數(shù)表征馬氏體相變量），測量結(jié)果如表2所示。

表2 彎管FN數(shù)測量結(jié)果

從表2可以看出，彎管FN實(shí)測數(shù)值已嚴(yán)重超出正常范圍，其中存在大量的形變馬氏體，使得檢測結(jié)果中FN數(shù)值嚴(yán)重偏高。

2.3 化學(xué)成分分析

對彎管H3點(diǎn)取金屬粉末進(jìn)行，通過X射線和原子全譜直讀光譜進(jìn)行金屬化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表3所示。

表3 彎管金屬化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

從表3可以看出，彎管金屬化學(xué)成分與GB/T 13401—2017標(biāo)準(zhǔn)要求出入較大。

2.4 金相檢驗(yàn)

對H3點(diǎn)進(jìn)行金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，奧氏體晶粒沿著一定的方向被拉長，形成了帶狀組織，并發(fā)生組織相變形成馬氏體組織。

圖3 金相組織

3 裂紋原因分析

3.1 材質(zhì)選用不當(dāng)

表3的分析結(jié)果顯示，鋼材中Mn元素含量過高，Ni含量則過低。Ni是形成和穩(wěn)定奧氏體的重要元素，能夠顯著提高鋼材的韌性和耐腐蝕性。雖然Mn也是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，但在形成奧氏體組織方面，Mn的作用只有Ni的一半；在穩(wěn)定奧氏體組織方面，Mn的作用是降低鋼的臨界淬火速率，在冷卻時(shí)可抑制奧氏體組織分解。同時(shí)，Mn增加會(huì)使鋼材的耐腐蝕性能和抗氧化性能下降。以Mn代替Ni，將會(huì)顯著降低奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定性，在對鋼材進(jìn)行冷加工變形后，將促使奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)變。馬氏體組織將對材料帶來以下危害：（1）硬度提高，韌性降低，耐腐蝕性能降低；（2）增大晶粒間的位錯(cuò)，并沿一定的方向呈階梯狀排列；（3）內(nèi)部殘余應(yīng)力增加；（4）馬氏體是在位錯(cuò)密度高、界面能較高的地方形成，這也是應(yīng)力集中的位置，該位置與帶狀組織和孿晶缺陷的地方往往是裂紋形成的位置，裂紋形成后則沿著晶粒變形方向擴(kuò)展。

3.2 氯化物應(yīng)力腐蝕開裂

通過表3可以看出，在彎頭化學(xué)成分中，C含量過高，Cr含量不足，材料中以Mn代Ni，這些原因都會(huì)使奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性降低。奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能，主要是由于Cr、Ni元素在不銹鋼表面與氧原子反應(yīng)形成一層以CrO3、NiO為主要成分的鈍化膜。當(dāng)不銹鋼表面存在氯離子時(shí)，氯離子優(yōu)先被金屬吸附，并將鈍化膜中的氧原子排擠掉，從而破壞鈍化膜，使不銹鋼失去防腐蝕能力。同時(shí)，氯離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，能夠穿透鈍化膜，到達(dá)奧氏體晶間與Cr反應(yīng)形成可溶解的化合物。氯離子晶間腐蝕優(yōu)先在奧氏體晶粒之間的錯(cuò)位、間隙、微小裂紋源等微觀缺陷進(jìn)行。當(dāng)奧氏體不銹鋼進(jìn)行冷加工變形后，微觀缺陷增加，并沿一定的方向有序排列。于是氯離子晶間腐蝕便沿著微觀缺陷的排列方向進(jìn)行，形成斷斷續(xù)續(xù)的腐蝕坑。同時(shí)，晶粒間的微小裂紋源在管道運(yùn)行壓力、內(nèi)部殘余應(yīng)力以及氯離子腐蝕的作用下，逐漸擴(kuò)展、延伸，并將這些斷斷續(xù)續(xù)的腐蝕坑連成一條條肉眼可見的裂紋。

3.3 形變馬氏體

奧氏體不銹鋼管道經(jīng)過冷加工變形后會(huì)產(chǎn)生形變馬氏體，表2的檢測數(shù)據(jù)表明了奧氏體不銹鋼管道母材中含有一定量的馬氏體組織，這部分馬氏體組織的電位低于母材奧氏體，在含氯介質(zhì)中會(huì)造成應(yīng)力腐蝕滑移溶解，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，且馬氏體含量越多，應(yīng)力腐蝕的敏感性就越強(qiáng)。

4 預(yù)防措施與建議

應(yīng)選用材料標(biāo)識(shí)及質(zhì)量證明書均符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求的彎管進(jìn)行更換。與蒸汽管道相連的鍋爐，給水可采用陰離子交換樹脂對氯離子進(jìn)行消除處理。鍋水及蒸汽管道冷凝水應(yīng)定期進(jìn)行化驗(yàn)，超過25×10-6時(shí)，應(yīng)將鍋水及蒸汽管道冷凝水排干凈后方可重新投入運(yùn)行。

在奧氏體不銹鋼壓力管道安裝監(jiān)檢過程中，檢驗(yàn)人員應(yīng)確認(rèn)材料標(biāo)識(shí)及質(zhì)量證明書是否符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求，必要時(shí)進(jìn)行金相檢驗(yàn)及化學(xué)分析復(fù)驗(yàn)；在定期檢驗(yàn)過程中，檢驗(yàn)人員應(yīng)注意檢查管道蒸汽來源是否進(jìn)行氯離子含量化驗(yàn)及控制，對蒸汽冷凝水進(jìn)行取樣化驗(yàn)，條件允許或者必要時(shí)，可以對管子、管件取樣剖開進(jìn)行內(nèi)表面宏觀檢查及無損檢測，及時(shí)排查缺陷。

5 結(jié)語

奧氏體不銹鋼對氯離子敏感，而現(xiàn)實(shí)中往往都未對奧氏體不銹鋼壓力管道介質(zhì)來源進(jìn)行氯離子含量化驗(yàn)及控制，造成管道中氯離子含量過高，形成氯離子應(yīng)力腐蝕。而由于管道長、管徑小，往往未進(jìn)行內(nèi)表面檢查，形成監(jiān)管真空地帶，需引起各方重視。