摘 要:采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡和能譜分析、金相檢驗等方法對金屬軟管斷裂 原因進行分析,結果表明:環境中的腐蝕性介質滲入到金屬軟管內層,內層在腐蝕性介質與外力的 共同作用下發生了沿晶應力腐蝕開裂,導致金屬編織網斷裂和波紋管減薄,最終在外力的作用下軟 管發生斷裂。
關鍵詞:金屬軟管;316L不銹鋼;304不銹鋼;沿晶腐蝕;應力腐蝕
中圖分類號:TG144;TB304 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0004-04
某金屬軟管的內部波紋管材料為316L不銹 鋼,其保護套管與金屬編織網材料為304不銹鋼。 該金屬軟管在使用過程中發生斷裂,筆者采用一系 列理化檢驗方法對金屬軟管的斷裂原因進行分 析[1-3],以避免該類問題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂金屬軟管整體宏觀形貌如圖1所示。斷裂 處宏觀形貌如圖2a)所示,在同一位置,將斷裂件與 未斷裂件剖開,可見未斷裂金屬管斷裂位置為保護 套管-金屬編織網-波紋管結構,每層之間通過焊接 結合在一起,金屬編織網及波紋管在根部發生斷裂 [見圖2b)]。波紋管及金屬編織網的斷口宏觀形貌 如圖2c)所示,在保護套管內壁及斷口上可見較多 銹蝕痕跡。
1.2 化學成分分析
在保護套管、金屬編織網、波紋管上分別取樣, 對其進行化學成分分析,波紋管的化學成分分析結 果如表1所示,由表1可知,波紋管的化學成分符合 ASTMA276/A276M—2017《不銹鋼棒材和型材規 格》的要求。保護套管與金屬編織網的化學成分分 析結果如表2所示,由表2可知,保護套管中Cr元素的質量分數不符合 ASTM A484/A484M—2018 《不 銹鋼棒、坯料和鍛件一般要求的標準規范》的要求。
1.3 掃描電鏡(SEM)與能譜分析
將斷口試樣清洗后,置于掃描電子顯微鏡下觀 察,其形貌如圖3所示,斷口包括波紋管與金屬編織 網兩部分。
波紋管斷口的SEM 形貌如圖4所示,由圖4可 知:外側呈沿晶斷裂特征,內側呈韌窩特征,為瞬斷 區;波紋管斷裂于外側,斷口上可見異物覆蓋。對波 紋管斷口進行能譜分析,可檢測到腐蝕性硫元素,結果如圖5所示。
金屬編織網斷口的SEM 形貌如圖6所示,由 圖6可知:金屬編織網斷口呈沿晶斷裂特征,表面可 見沿晶狀龜裂,斷口上可見異物覆蓋。對金屬編織 網斷口進行能譜分析,可檢測到腐蝕性硫元素,結果 如圖7所示。
保護套管斷口的SEM 形貌如圖8所示,斷口 可見沿晶裂紋。金屬編織網與波紋管處的SEM 形 貌如圖9所示,可見腐蝕坑及沿晶裂紋。對裂紋及 腐蝕坑內的產物進行能譜分析,結果如圖10所示, 由圖10可知:該處有含量較高的腐蝕性硫元素和氯 元素,說明試樣的使用環境中含有這些元素,這些元 素導致金屬軟管中的金屬編織網及波紋管焊接處的 根部發生了應力腐蝕。
1.4 金相檢驗
在光學顯微鏡下觀察軟管斷口剖面的金相試 樣,斷口剖面的顯微組織形貌如圖11所示,由圖11 可知:其顯微組織為奧氏體,裂紋呈沿晶走向。
2 綜合分析
由宏觀觀察可知,金屬軟管內層有腐蝕痕跡。 波紋管與金屬編織網的化學成分符合標準要求,保 護套管的Cr元素含量低于標準要求,Cr元素為不 銹鋼中的重要合金元素,Cr元素含量偏低會降低其耐腐蝕性能。金相檢驗結果表明,其顯微組織未見 異常。
波紋管外側呈沿晶斷裂特征,內側呈韌窩特征, 為瞬斷區,說明波紋管斷裂起源于其外側。斷口上 可見異物覆蓋,異物中可檢測到腐蝕性硫元素;金屬 編織網呈沿晶斷裂特征,鋼絲表面可見沿晶狀龜裂, 斷口上可見異物覆蓋,異物中可檢測到腐蝕性硫元 素。波紋管及金屬編織網處可見腐蝕坑及沿晶裂 紋,在裂紋及腐蝕坑內的產物中,檢測到含量較高的 腐蝕性硫元素和氯元素,說明金屬軟管的使用環境 中含有以上腐蝕性元素,這些元素滲入金屬軟管內 部后,在焊接殘余應力與工作應力等共同作用下,金 屬編織網及波紋管的焊接處發生應力腐蝕開裂,導 致金屬編織網斷裂,波紋管也因腐蝕而減薄,最終其 在外力的作用下斷裂。
3 結論及建議
(1)金屬軟管中波紋管與金屬編織網的化學成 分符合標準要求,保護套管的Cr元素含量不符合標 準要求。
(2)金屬軟管內的金屬編織網及波紋管在腐蝕 性介質的作用下發生沿晶應力腐蝕開裂,導致金屬 編織網斷裂和波紋管減薄,軟管最終在外力的作用 下斷裂。
(3)為避免以后出現該類問題,建議隔絕金屬 軟管使用環境中的腐蝕性介質,避免其滲入鋼管內 部;建議優化焊接工藝,防止焊縫及熱影響區處析出 碳化鉻,形成貧鉻區,導致其耐腐蝕性能下降。
參考文獻:
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