某220 kV變電站水管腐蝕開(kāi)裂原因分析

劉 孝，陳 浩，郭心愛(ài)，史賢達(dá)，譚曉蒙

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020)

0 引 言

不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、焊接性，且機(jī)械強(qiáng)度高、高溫性能穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、冶金、航空航天等領(lǐng)域。如果不銹鋼構(gòu)件因焊接或熱處理在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且未經(jīng)有效的固溶處理，在腐蝕環(huán)境中則極易發(fā)生晶間腐蝕，使晶粒間的結(jié)合力減弱，造成材料強(qiáng)度和韌性急劇下降，給設(shè)備的運(yùn)行帶來(lái)極大安全隱患[1-2]。

某220 kV變電站投運(yùn)十年后，水管發(fā)生開(kāi)裂泄漏。該鋼管直徑為89 mm，壁厚為4 mm，材質(zhì)為12Cr17Mn6Ni5N鉻錳不銹鋼。為查找水管開(kāi)裂泄漏原因，避免同類失效再次發(fā)生，對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)泄漏的水管道進(jìn)行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)鋼管焊縫熱影響區(qū)靠近熔合線附近存在水漬，此處為鋼管泄漏點(diǎn)。此外，整個(gè)鋼管未見(jiàn)明顯機(jī)械損傷及塑性變形，如圖1所示。

圖1 泄漏的水管道宏觀形貌Fig.1 The micromorphology of the cracked water pipe

1.2 金相檢驗(yàn)

對(duì)泄漏的水管道取樣進(jìn)行顯微組織分析，其金相組織為單相奧氏體組織，并伴有大量孿晶，組織未見(jiàn)明顯變形，斷面內(nèi)存在多處腐蝕坑，局部區(qū)域晶粒已脫落，焊縫存在未熔合缺陷，具有典型的晶間腐蝕特征[3]，如圖2所示。

圖2 水管道各部位微觀組織形貌Fig.2 The metallographic structure of the cracked water pipe

1.3 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)泄漏的水管道取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。可以看出，水管道中各元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)12Cr17Mn6Ni5N鉻錳不銹鋼的要求。

表1 水管道化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Table 1 Chemical analysis result of the cracked water pipe 單位：%

1.4 斷面形貌及能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)水管道斷口進(jìn)行微區(qū)形貌分析，可以發(fā)現(xiàn)，其斷面內(nèi)存在大量的沿晶開(kāi)裂的微裂紋，與不銹鋼晶間腐蝕開(kāi)裂的微觀特征一致，如圖3所示。利用能譜分析儀EDS對(duì)圖4所示的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖5和表2。結(jié)果表明，該腐蝕產(chǎn)物中含有能夠加快不銹鋼晶間腐蝕速度的氯元素。

圖3 水管道斷面微觀形貌Fig.3 The SEM morphology of the cross-section of the cracked water pipe

圖4 能譜分析區(qū)域Fig.4 The region for energy spectrum analysis

圖5 腐蝕產(chǎn)物能譜分析圖Fig.5 Energy spectrum analysis chart for corrosion products

表2 腐蝕產(chǎn)物成分能譜分析結(jié)果Table 2 Energy spectrum analysis result of corrosion products 單位：%

2 分析與討論

奧氏體不銹鋼含有較高的鉻，鉻易氧化形成致密的氧化層保護(hù)膜，可以阻止氧化介質(zhì)的滲入，該氧化膜若遭到破壞，能夠自行修復(fù)。此外，鉻可以提高鋼的電極電位，當(dāng)鉻含量大于11%時(shí)，不銹鋼具有良好的耐腐蝕性[4]。

室溫下，碳在奧氏體中的溶解度約為0.02%，而水管道中的碳含量為0.09%，遠(yuǎn)高于0.02%。當(dāng)對(duì)奧氏體不銹鋼管進(jìn)行焊接時(shí)，焊縫周圍金屬材料可被加熱到400～910 ℃。此時(shí)，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度，多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散，并和鉻發(fā)生化合反應(yīng)，在晶間形成碳和鉻的化合物Cr23C6。而鉻的擴(kuò)散速度較小，所以在晶間所形成的Cr23C6中所需的鉻主要不是來(lái)自?shī)W氏體晶粒內(nèi)部，而是來(lái)自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少。當(dāng)晶界附近的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到11%時(shí)，就形成相對(duì)的“貧鉻區(qū)”，“貧鉻區(qū)”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區(qū)”之間存在著一定的電位差，在腐蝕介質(zhì)中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區(qū)”作為陽(yáng)極與晶粒構(gòu)成大陰極小陽(yáng)極的微電偶電池，造成“貧鉻區(qū)”的選擇性局部腐蝕，晶界不斷受到腐蝕，導(dǎo)致水管道發(fā)生晶間腐蝕[5-7]。同時(shí)，水管道內(nèi)介質(zhì)中含有大量氯離子，因氯離子半徑較小，易吸附在金屬表面，對(duì)氧化鉻保護(hù)膜具有很強(qiáng)的穿透性，并與鉻反應(yīng)生成可溶性氯化鉻，造成不銹鋼中的鉻不斷被消耗，從而進(jìn)一步加速水管道的晶間腐蝕。最后，在管道內(nèi)高壓介質(zhì)的作用下，晶間結(jié)合力弱化、力學(xué)性能嚴(yán)重下降的水管開(kāi)裂泄漏[8-10]。

綜上分析，水管道因焊接工藝控制不當(dāng)，在不銹鋼敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使得焊縫熱影響區(qū)附近管材晶界貧鉻、耐蝕性下降，導(dǎo)致鋼管的晶間腐蝕，同時(shí)管內(nèi)介質(zhì)中的氯離子進(jìn)一步加劇了晶間腐蝕程度，最終在水管道介質(zhì)內(nèi)壓的作用下，鋼管開(kāi)裂泄漏。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)某220 kV變電站水管腐蝕開(kāi)裂原因進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出開(kāi)裂原因，并提出如下建議：

1)水管道焊接后應(yīng)立即進(jìn)行固溶處理，使碳化物完全溶解并保留在奧氏體中，以提高其抗晶間腐蝕能力；

2)應(yīng)嚴(yán)格控制水管道的焊接工藝參數(shù)，選擇較低的焊接熱量和層間溫度，加快焊縫的冷卻速度，減少其在敏感溫度下的停留時(shí)間，避免晶間腐蝕的發(fā)生；

3)建議盡可能選擇含碳量較低的不銹鋼管作為水管道，以減少碳與鉻反應(yīng)生成碳化鉻，并降低其晶間腐蝕傾向，同時(shí)因鈦和鈮能優(yōu)先與碳反應(yīng)生成化合物，故在不銹鋼中加入適量的鈦和鈮元素，可以有效消耗晶界附近過(guò)飽和的碳，避免碳與鉻結(jié)合形成“貧鉻區(qū)”而發(fā)生晶間腐蝕。