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316L不锈钢盘管(钢管)的泄漏失效分析【案例分享】

案例分享:316L不锈钢盘管(钢管)的泄漏失效分析 

316L属于奥氏体不锈钢,对应国内牌号为022Cr17Ni12Mo2,具有良好的塑性和耐蚀性,该不锈钢中添加的Mo元素极大地提高了其抗点蚀能力。因此,316L不锈钢被广泛应用于石化、医药等行业。某企业使用的316L不锈钢盘管在使用过程中发现管壁泄漏穿孔现象。管内工作介质为水蒸汽,工作压力0.9MPa,管外介质为强碱、铜粉,工作压力1.0MPa,内外壁存在压力差。笔者对其失效原因进行了试验分析和研究。

1  宏观分析
1.1 目视检查
从外部宏观目视检查发现,泄漏孔在外壁显示为一个直径约2mm的小孔,如图1a所示。在内壁显示为4个直径约为1mm的纵向排列小孔,并可见大量“翘皮”状裂纹,如图1b所示。

图1 泄漏孔宏观形貌


1.2 放大宏观检查
采用变倍体视显微镜观察,图2a为内壁泄漏孔放大40倍后的宏观照片;图2b为剖开后的泄漏孔形貌,孔内空间比较大,总体积约4mm3,孔壁起伏不平、不规则。

图2 泄漏孔形貌


2  检测分析
2.1 光谱化学成分分析
对泄漏孔周边取样用全谱直读光谱仪进行化学成分分析,结果(平均值)见表1,与ASME SA213中TP316L材料成分比较,符合标准要求。

表1 化学成分(质量分数)分析结果  (%)


2.2 拉伸试验
采用电子万能试验机,在盘管上取样进行拉伸试验,结果见表2。试样断口形貌为塑性断裂。通过对比可知,材料的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均符合ASME SA213标准。

表2 力学性能检测结果


2.3 工艺性能试验
采用电子万能试验机进行扩口、压扁试验,结果见表3,试验后扩口试样形貌如图3所示,管内壁无裂纹。压扁试样形貌如图4所示,压扁试样外壁拉伸面产生裂纹,裂纹开口端外壁位置为陈旧断口,裂纹尖端为新断口,可见管外壁存在旧裂纹。

表3 工艺性能试验结果

图3 扩口试样


图4 压扁试样拉伸面裂纹


2.4 显微金相分析
在盘管内外壁及内部加工显微金相试样,试样横截面经磨制、抛光,用金相显微镜放大后观察。从图5a可见,盘管内壁上存在“翘皮”状裂纹,在“翘皮”底部还存在微裂纹;从图5b可以看出,外壁上存在大量微裂纹,在缺陷或腐蚀坑处萌生,沿夹杂物扩张;从图5c可见,内部存在大量粒状、条状、块状夹杂物,夹杂物尺寸为5 ~ 25μm。

图5 盘管材料不同区域图


经腐蚀后的试样,金相显微镜观察组织为奥氏体,平均晶粒度为6.5级,并发现在晶界上有析出相,如图6a所示。从图6b可见,内壁存在大量变形滑移线,说明存在残余应力;从图6c可见,外壁存在上存在穿晶型及沿晶型裂纹。

图6 金相图


2.5 扫描电镜分析
对裂纹断口处采用扫描电镜观察,图7a为陈旧断口,从图7b泄漏孔内壁形貌可以看出,表面上均存在“泥纹花样”腐蚀产物。

图7 失效部位扫描电镜形貌


2.6 能谱分析
对图7a陈旧断口取样进行能谱分析,如图8所示,结果见表4,腐蚀产物较为复杂,主要成分为氧化物,还夹杂有Cu、Na等。

表4  能谱分析结果(质量分数)  (%)

图8 分析点能谱图


3  综合分析
综合以上试验数据,盘管TP316L不锈钢的化学成分、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率都满足ASME SA213标准要求。扩口试验合格,压扁试验管外壁拉伸面出现裂纹,开口端为陈旧裂纹。金相显微分析、SEM+EDS表明,组织为奥氏体不锈钢,但存在大小不等的颗粒状夹杂物,表面有“泥纹花样”腐蚀产物,尤其是泄漏孔处。孔壁起伏不规则,在“翘皮”处存在大量微裂纹,并沿夹杂物扩张。

4  结论与建议
316L不锈钢盘管泄漏的主要原因是材料中存在大量夹杂物、氧化物腐蚀产物、微裂纹等。基体连续性因夹杂物的存在而遭到破坏,在残余应力、内外壁压力差等共同作用下,夹杂物处很容易产生裂纹并扩展,而夹杂物与高温水蒸汽介质接触,由于夹杂物的耐蚀性远低于材料本身,因此夹杂物被腐蚀,最终管壁内部形成孔洞,导致管壁穿孔,发生泄漏。为避免发生类似泄漏失效,建议如下:

1)对于该盘管的服役环境,应选用夹杂物少的高质量316L不锈钢材料。

2)控制工作介质纯度,尽可能避免腐蚀性物质对管子的影响。

3)盘管构件在弯曲、焊接后进行热处理,以有效释放残余应力。


参考文献:略。

作者:方学锋,梁斌,业成,张伯君,于永亮

单位:南京市锅炉压力容器检验研究院

来源:《金属加工(热加工)》杂志

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