L不銹鋼波紋管泄漏原因分析

1、2009年 11 月失效分析與預(yù)防N ovember, 2009第4卷第4期V o.l 4, N o. 4316L不銹鋼波紋管泄漏原因分析趙東, 李京民 ,馬彥東 ,房文彬 ,張濤( 首都航天機(jī)械公司 , 北京 100076)摘要 316L不銹鋼波紋管在裝配使用一個(gè)月后發(fā)生泄漏。采用體視顯微鏡、掃描電子顯 微鏡、光學(xué)顯微鏡和化 學(xué)分析儀 ,對(duì)失效波紋管進(jìn)行了斷口宏微觀觀察、金相組織檢查和化學(xué)成分分析。結(jié)果表明: 裂紋起始于波紋管內(nèi)壁波峰處 ,其周?chē)嬖诖罅扛g產(chǎn)物,主要以穿晶裂紋為主, 沿圓周方向穿透管壁而形成泄漏點(diǎn)。分析認(rèn)為 , 波紋管 失效性質(zhì) 為典型的應(yīng)力腐蝕 ,失效原因?yàn)楦邷叵虏y管內(nèi)

2、壁在海水強(qiáng)腐蝕性環(huán)境和較大拉應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所致。關(guān)鍵詞 316L不銹鋼 ;波紋管 ; 泄漏 ; 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中圖分類(lèi)號(hào) O346. 2+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1673-6214( 2009) 04-0217-04Analysison L eakage of 316L Stain less Steel Bellow sZHAO Dong,LI Jing-m in, MA Yan-dong,FANG W en-b in,ZHANG Tao( Capital AerospaceMachinery Company, B eijing 100076, China)Ab strac

3、t: A 316L stain less steel bellow s leaked a fter serving for onem onth. M acro and m icro observation on the fracture sur-face, inspection of them etallurgical structure and chem ical analysiswere carried out with a stereom icroscope, a scanning elec-tronm icroscope(SEM ), an opticalm icroscope(OM)

4、 and a chem ical analyzer. The results show that the cracks initiated from thewave crest of the inner wall and therewere a greatdeal of corrosive products near the cracks. M ost of the c rackswere transgranu-lar cracks, and the crackspenetrated through the bellows along the circum ferential directio

5、n, u ltim ately causing the leakage. Itwas concluded that the crackswere causedby typ ical stress corrosion. U nder the co-effect of h igh temperature, corrosive environ-m ent of the seawater, and greater tensile stress, cracks came into being at the inner w all o f the bellows.K ey w ords: 316L sta

6、inless stee;l bellows; leakage; stresscorrosion crack為內(nèi)管 , 外管為玻璃棉管 ,內(nèi)外管之間通以 2100 引言e 的水蒸汽 , 工作壓力為1. 1M Pa。本文通過(guò)斷口觀察、金相及化學(xué)分析 ,對(duì)波紋管泄漏的失效金屬波紋管膨脹節(jié)作為現(xiàn)代熱補(bǔ)償技術(shù)已廣原因進(jìn)行了分析 , 并提出相應(yīng)改進(jìn)措施。泛應(yīng)用 , 管道的熱變形、機(jī)械變形、各種振動(dòng)、大型貴重設(shè)備與管道間的柔性連接等都離不開(kāi)波1試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果紋管膨脹節(jié)。波紋管膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)制造具有投資1. 1 1宏觀檢查小、見(jiàn)效快等特 點(diǎn), 使 其得到 廣泛應(yīng) 用 。隨失效波紋管外觀形貌見(jiàn)圖1,可見(jiàn) ,整個(gè)波

7、著波紋管膨脹節(jié)在供熱管網(wǎng)中的大量使用和適用紋管呈銹紅色 , 管內(nèi)壁尤為嚴(yán)重 ,范圍的不斷擴(kuò)大 , 膨脹節(jié)腐蝕失效的現(xiàn)象也隨之幾乎不見(jiàn)金屬2, 裂紋出現(xiàn)在管內(nèi)增加。對(duì)失效的波紋管進(jìn)行分析研究,確定波紋光澤。管內(nèi)壁裂紋形貌見(jiàn)圖壁波峰處 , 沿管周向分布 ,管失效的原因 , 對(duì)于保障熱力管道的安全運(yùn)行有嚴(yán)重處裂紋已完全爆重大意義。開(kāi),在爆裂附近未觀察到宏觀塑性變形痕跡, 裂某外壓式膨脹節(jié)波紋管產(chǎn)品材料為316L 不紋尖端分支明顯 ; 波紋管外壁未見(jiàn)裂紋。波紋管銹鋼 , 工作條件下 , 管內(nèi)介質(zhì)為海水 ,波紋管在開(kāi)裂嚴(yán)重處存在大量白色產(chǎn)物附著在管壁表面及裝配使用一個(gè)月后發(fā)生泄漏。該波紋管采用3層斷口上

8、 ( 圖 3), 放大觀察發(fā)現(xiàn)白色產(chǎn)物呈結(jié)晶套筒后成型 ( 單層厚度為1. 2mm),其使用時(shí)作形態(tài)。收稿日期 2009 年 3 月 30日 修訂日期 2009 年 6月 26 日作者簡(jiǎn)介 趙東 ( 1966 年 -), 男, 工程師 ,主要從事金屬材料失效分析方面的工作。218失效分析與預(yù)防第 4 卷1. 2 斷口檢查及能譜分析1. 3 金相檢查在掃描電鏡下對(duì)斷口進(jìn)行觀察, 斷面上附著波紋管的顯微組織見(jiàn)圖7,可見(jiàn)其顯微組織有大量泥紋狀(圖 4a) 以及針狀腐蝕產(chǎn)物(圖均勻 , 為正常的奧氏體,依據(jù)ASTM E112 圖譜4b), 對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析, 結(jié)果發(fā)現(xiàn) ,除對(duì)其晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí) ,

9、級(jí)別為8級(jí)。另外 ,還可含有 M g、 A l、 Si、 Ca、 N a、 Cr、 Fe等 元 素外 ,見(jiàn)清晰明顯的成型流線;主裂紋以穿晶為主, 局還存在 O、 C l、 S等腐蝕性介質(zhì)元素。將斷口進(jìn)部呈沿晶形貌 , 裂紋前沿出現(xiàn)多個(gè)呈樹(shù)枝狀的分行清洗 , 清洗后發(fā)現(xiàn)斷面呈現(xiàn)明顯的河流及扇形支裂紋 (圖 8、圖 9),為典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂花樣 (圖 5、圖6), 屬脆性解理斷裂 2 。形貌 2。第 4 期趙東 ,李京民 ,馬彥東 ,等 :316L不銹鋼波紋管泄漏原因分析2191.4化學(xué)分析A276 )1996技術(shù)條件要求,其中 N i元素含量接從失效波紋管上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)近標(biāo)準(zhǔn)要求的

10、下限,C r元素含量接近標(biāo)準(zhǔn)要求果見(jiàn)表1,可見(jiàn)波紋管化學(xué)成分符合 ASTM的上限。表 1化學(xué)成分分析結(jié)果/( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% )T able 1Chem ical composition / (m ass /% )Elem entCSiM nPSN iCrM oM easurem ent0. 0210. 5331. 1960. 0200. 00510. 69618. 2892. 076Standard0. 030 1. 000 2. 000 0. 045 0. 03010. 000 14. 00016. 000 18. 0002. 000 3. 0002 分析與討論綜上所述 ,裂紋出現(xiàn)在波紋管內(nèi)

11、壁波峰處,有主干、有分支 , 肉眼即可見(jiàn)管壁夾層間及斷口上附著大量白色腐蝕產(chǎn)物 , 此為宏觀應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂斷口形貌。零件斷口呈現(xiàn)出以解理斷裂為主的脆性斷裂特征 ,斷面上附著大量含O、 C、l S等腐蝕性元素的泥紋狀或結(jié)晶狀腐蝕產(chǎn)物。波紋管基體為正常的奧氏體組織,晶粒度為8級(jí),裂紋以穿晶為主 ,分支裂紋呈樹(shù)枝狀,具有典型的微觀應(yīng)力腐蝕斷裂特征。波紋管成型流線符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的兩個(gè)必要條件。外壓式膨脹節(jié)波紋管產(chǎn)品主要起補(bǔ)償器作用 , 除承受加工制造過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力作用外 , 工作時(shí) , 在內(nèi)壓和熱脹位移作用下, 波紋管處于拉伸狀態(tài), 承受較大拉應(yīng)力 3-

12、4, 具備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所需的應(yīng)力條件。奧氏體不銹鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的常見(jiàn)介質(zhì)有: 各種-汽、 氫氧化氯化物 或含 Cl 溶液、海水、水蒸物、硝酸和硝酸鹽、含-F 水溶液、硫化氫水溶220失效分析與預(yù)防第 4 卷液、硫酸和 亞硝酸鹽等 5 。失效波紋 管外壁與外層玻璃管之間 通 210 e 的 水蒸汽 , 管內(nèi)通海水, 這兩種介質(zhì)均易造成應(yīng)力腐蝕 , 從而為產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂提供了腐蝕環(huán)境。管內(nèi)外壁受應(yīng)力狀態(tài)基本一致 , 通常情況下的破壞模式也應(yīng)該相同。但仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn) , 波紋管內(nèi)壁較外壁銹蝕更加嚴(yán)重 , 且裂紋主要集中存在于管內(nèi)壁波峰處,穿透3層管壁 ,而管外壁波峰處未發(fā)現(xiàn)類(lèi)似裂紋, 這主要是因

13、為波紋管內(nèi)外壁所接觸的環(huán)境不同, 即所通介質(zhì)不同所致。研究發(fā)現(xiàn) , 不同腐蝕介質(zhì)對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的影響是不一樣的, 在溶解O2 的水溶液中極易引起應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂,而在充分脫 O2的水溶液中則幾乎不引起應(yīng)力腐蝕破裂。-的溶液中 ,-在含 C lC l 侵入鈍化膜 , 產(chǎn)生易造成應(yīng)力集中的孔蝕 ,增大了應(yīng)力 腐蝕開(kāi)裂敏感-等時(shí), 如海性。當(dāng)環(huán)境介質(zhì)中同時(shí)含有O2、 C l水, 溶液中的 O2- 會(huì)相互影響 ,加速應(yīng)力腐、 C l蝕進(jìn)程 ,縮短斷裂時(shí)間。這就是為什么內(nèi)壁波峰處嚴(yán)重破裂而外壁卻仍未發(fā)現(xiàn)裂紋的原因。另外 , 溫度對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的形成和擴(kuò)展影響也較大 , 在恒應(yīng)力下 , 溫度和應(yīng)力腐蝕速度的

14、5關(guān)系可用下式來(lái)表征:V = 1t = Aexp(- vRTH )式中 , A 為正常數(shù) , v H 為激活能 , T 為介質(zhì)絕對(duì)溫度 , V 為斷裂速率。溫度越高 , 裂紋擴(kuò)展越快, 斷裂時(shí)間越短。大量試驗(yàn)證實(shí) , 奧氏體不銹鋼在高溫水 (蒸汽 ) 中 , 當(dāng)水 (蒸汽 ) 溫介于150 225 e 時(shí) , 隨著溫度的升高應(yīng)力腐蝕裂紋數(shù)目增多 ,裂紋擴(kuò)展速率加快 ,斷裂時(shí)間縮短 ,斷裂所需-的濃度下降 ,并且大多發(fā)生O2 和 C l穿晶型斷裂。N i元素對(duì)提高Fe- Cr- N i合金的耐應(yīng)力腐蝕性能方面有較大作用 5 。尤其在高濃度氯化物中 , 在含微量氯化物和氧的熱水或高溫水中,在含 N

15、 aOH 的介質(zhì) 中, 隨 著 N i 元 素含量增加 ,有利于使 Fe- C r-N i合金層錯(cuò)能顯著增加, 使位錯(cuò)結(jié)構(gòu)從共平面位錯(cuò)向網(wǎng)狀位錯(cuò)過(guò)渡, 從而使粗大滑移臺(tái)階難以實(shí)現(xiàn) , 應(yīng)力腐 蝕裂紋較難生核。再者隨著層錯(cuò)能的增加 , 提高了合金鈍化和再鈍化能力 , 耐應(yīng)力腐蝕性能顯著提高。失效波紋管零件經(jīng)化學(xué)成分分析證實(shí)所用材料為 316L 不銹鋼 , 化學(xué)成分符合 ASTM A276 ) 1996 技術(shù)條件要求 , 但 N i 含 量處于技 術(shù)條件要 求下限 , 勢(shì)必對(duì)其耐應(yīng)力腐蝕性能產(chǎn)生一定的不利影響。綜上所述 , 波紋管外壁與外層玻璃管之間通 210 e 水蒸汽并沒(méi)有對(duì)波紋管外壁產(chǎn)生損害

16、性破壞, 波紋管泄漏的主要原因是內(nèi)管通海水 , 在高溫應(yīng)力作用下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋造成的。3 改進(jìn)措施失效波紋管泄漏主要與其所使用的惡劣腐蝕性環(huán)境有關(guān)。因此,為解決此問(wèn)題,可從兩方面入手 :1) 對(duì)管內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行脫-等處理 ,保O2、 C l持介質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性, 降低應(yīng)力 腐蝕開(kāi)裂敏感性;2) 針對(duì)惡劣的使用介質(zhì)環(huán)境對(duì)波紋管所用材料進(jìn)行重新選擇 , 或?qū)α慵?nèi)壁采取適當(dāng)有效的工藝保護(hù)措施 , 以適應(yīng)惡劣的腐蝕環(huán)境。4 結(jié)論波紋管內(nèi)壁波峰處受拉應(yīng)力作用在高溫海水腐蝕環(huán)境下 ,易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,裂紋穿透3層管壁 ,最終導(dǎo)致波紋管泄漏。參考文獻(xiàn) 1 劉波 , 于振毅 . 波紋膨脹節(jié)疲勞壽命試驗(yàn)技術(shù)J.管 道技術(shù)與設(shè)備 , 2000( 3): 15-18. 2張棟,鐘培道