316L不銹鋼盤管的泄漏失效分析

316L屬于奧氏體不銹鋼，對應國內(nèi)牌號為022Cr17Ni12Mo2，具有良好的塑性和耐蝕性，該不銹鋼中添加的Mo元素極大地提高了其抗點蝕能力。因此，316L不銹鋼被廣泛應用于石化、醫(yī)藥等行業(yè)。某企業(yè)使用的316L不銹鋼盤管在使用過程中發(fā)現(xiàn)管壁泄漏穿孔現(xiàn)象。管內(nèi)工作介質(zhì)為水蒸汽，工作壓力0.9MPa，管外介質(zhì)為強堿、銅粉，工作壓力1.0MPa，內(nèi)外壁存在壓力差。筆者對其失效原因進行了試驗分析和研究。1

宏觀分析1.1目視檢查從外部宏觀目視檢查發(fā)現(xiàn)，泄漏孔在外壁顯示為一個直徑約2mm的小孔，如圖1a所示。在內(nèi)壁顯示為4個直徑約為1mm的縱向排列小孔，并可見大量“翹皮”狀裂紋，如圖1b所示。

圖1泄漏孔宏觀形貌

1.2放大宏觀檢查采用變倍體視顯微鏡觀察，圖2a為內(nèi)壁泄漏孔放大40倍后的宏觀照片；圖2b為剖開后的泄漏孔形貌，孔內(nèi)空間比較大，總體積約4mm3，孔壁起伏不平、不規(guī)則。

圖2泄漏孔形貌

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檢測分析2.1光譜化學成分分析對泄漏孔周邊取樣用全譜直讀光譜儀進行化學成分分析，結(jié)果（平均值）見表1，與ASMESA213中TP316L材料成分比較，符合標準要求。

表1化學成分（質(zhì)量分數(shù)）分析結(jié)果

（%）

2.2拉伸試驗采用電子萬能試驗機，在盤管上取樣進行拉伸試驗，結(jié)果見表2。試樣斷口形貌為塑性斷裂。通過對比可知，材料的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合ASMESA213標準。表2力學性能檢測結(jié)果

2.3工藝性能試驗采用電子萬能試驗機進行擴口、壓扁試驗，結(jié)果見表3，試驗后擴口試樣形貌如圖3所示，管內(nèi)壁無裂紋。壓扁試樣形貌如圖4所示，壓扁試樣外壁拉伸面產(chǎn)生裂紋，裂紋開口端外壁位置為陳舊斷口，裂紋尖端為新斷口，可見管外壁存在舊裂紋。

表3工藝性能試驗結(jié)果圖3擴口試樣

圖4壓扁試樣拉伸面裂紋2.4顯微金相分析在盤管內(nèi)外壁及內(nèi)部加工顯微金相試樣，試樣橫截面經(jīng)磨制、拋光，用金相顯微鏡放大后觀察。從圖5a可見，盤管內(nèi)壁上存在“翹皮”狀裂紋，在“翹皮”底部還存在微裂紋；從圖5b可以看出，外壁上存在大量微裂紋，在缺陷或腐蝕坑處萌生，沿夾雜物擴張；從圖5c可見，內(nèi)部存在大量粒狀、條狀、塊狀夾雜物，夾雜物尺寸為5~25μm。

圖5盤管材料不同區(qū)域圖

經(jīng)腐蝕后的試樣，金相顯微鏡觀察組織為奧氏體，平均晶粒度為6.5級，并發(fā)現(xiàn)在晶界上有析出相，如圖6a所示。從圖6b可見，內(nèi)壁存在大量變形滑移線，說明存在殘余應力；從圖6c可見，外壁存在上存在穿晶型及沿晶型裂紋。

6金相圖

2.5掃描電鏡分析對裂紋斷口處采用掃描電鏡觀察，圖7a為陳舊斷口，從圖7b泄漏孔內(nèi)壁形貌可以看出，表面上均存在“泥紋花樣”腐蝕產(chǎn)物。

圖7失效部位掃描電鏡形貌

2.6能譜分析對圖7a陳舊斷口取樣進行能譜分析，如圖8所示，結(jié)果見表4，腐蝕產(chǎn)物較為復雜，主要成分為氧化物，還夾雜有Cu、Na等。

表4

能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）

（%）圖8分析點能譜圖

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綜合分析綜合以上試驗數(shù)據(jù)，盤管TP316L不銹鋼的化學成分、抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率都滿足ASMESA213標準要求。擴口試驗合格，壓扁試驗管外壁拉伸面出現(xiàn)裂紋，開口端為陳舊裂紋。金相顯微分析、SEM+EDS表明，組織為奧氏體不銹鋼，但存在大小不等的顆粒狀夾雜物，表面有“泥紋花樣”腐蝕產(chǎn)物，尤其是泄漏孔處?？妆谄鸱灰?guī)則，在“翹皮”處存在大量微裂紋，并沿夾雜物擴張。

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結(jié)論與建議316L不銹鋼盤管泄漏的主要原因是材料中存在大量夾雜物、氧化物腐蝕產(chǎn)物、微裂紋等?；w連續(xù)性因夾雜物的存在而遭到破壞，在殘余應力、內(nèi)外壁壓力差等共同作用下，夾雜物處很容易產(chǎn)生裂紋并擴展，而夾雜物與高溫水蒸汽介質(zhì)接觸，由于夾雜物的耐蝕性遠低于材料本身，因此夾雜物被腐蝕，最終管壁內(nèi)部形成孔洞，導致管壁穿孔，發(fā)生泄漏。為避免發(fā)生類似泄漏失效，建議如下：

1）對于該盤管的