304無縫不銹鋼管漏氣原因分析

涂建國,徐鵬飛,王 鑫,張智寰,劉 丹,莫玉華,朱文慧

(深圳市八六三新材料技術有限責任公司,廣東 深圳 518117)

1 情況簡介

304無縫不銹鋼管具有耐腐蝕性強、強韌性高與成型性好等優點,廣泛用于石油、化工、儀表儀器元件和醫藥等領域[1]。某管件公司提供了直管原材料和管件成品,并提供了該管工況條件:材質為304無縫不銹鋼,厚度1.2 mm,維氏硬度≤220 HV,用途主要是排水和燃氣管道用。直管工藝為:板材經過無縫焊接(管內氮氣保護,外部氬氣保護)后進行固溶處理(2 s達到1050 ℃,保溫3 min后,經6 m管,風冷3 min至100～150 ℃,水冷至常溫),最后成為成品。管件工藝為:板材經過無縫焊接(管內氮氣保護,外部氬氣保護)后機械成型(沖壓成形),再固溶處理(90 min從低溫升至高溫1050 ℃),風冷30 min至冷卻,最后成為成品。該批管件在進行氣密性測試(試驗壓力為1.0 MPa,試驗介質為壓縮空氣) 時發現非焊接部位出現漏氣現象。為了找出漏氣原因,對不銹鋼直管和管件成品進行檢驗和分析。

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢驗

304無縫不銹鋼直管和管件如圖1(a)、1(b)所示。采用體式顯微鏡觀察304不銹鋼直管外壁和內部表面?？梢钥闯?內壁表面存在嚴重的裂紋,見圖1(c);外壁表面有孔洞,見圖1(d)。

(a)直管; (b)管件成品;(c)直管內壁;(d)直管外壁

2.2 金相觀察

對304不銹鋼直管和管件成品取樣進行金相磨制,采用徠卡Leica DMLM光學金相顯微鏡觀察試樣的金相組織。浸蝕前直管試樣中有嚴重裂透的裂紋,見圖2(a);浸蝕后直管試樣的組織為奧氏體,同時發現有銅偏析,見圖2(b);浸蝕前管件成品內外壁均有沿晶腐蝕,內外壁腐蝕深度分別為94.9 μm和101.6 μm,見圖2(c);浸蝕后發現晶粒有混晶現象,晶粒度大小約從2.0級到6.0級,見圖2(d)。

(a)腐蝕前直管截面;(b)腐蝕后直管顯微組織;(c)腐蝕前管件成品截面;(d)腐蝕后管件成品顯微組織

2.3 缺陷微觀觀察及微區成分分析

304不銹鋼直管和管件成品經超聲波清洗后,采用JSM-6460LV掃描電子顯微鏡觀察試樣內壁和外壁表面形貌。不銹鋼直管和管件成品的外壁均發現裂紋,見圖3(a)、3(b);內壁均有沿晶裂紋,見圖3(c)、3(d)。同時對直管銅偏析物和裂紋處進行成分分析,直管外壁銅偏析物成分為銅和錫;裂紋處除不銹鋼元素外,還含有銅、錫、氧、鋁、氯、硅、鈣元素,見圖3(e)和3(f)。

(a)直管外壁SEM;(b)管件成品外壁SEM;(c)直管內壁SEM;(d)管件成品內壁SEM;(e)直管銅偏析物EDS;(f)直管裂紋處EDS

2.4 化學成分分析

采用賽默飛世爾ARL3460直讀光譜儀對304不銹鋼直管和管件成品進行化學成分分析,結果見表1。其結果符合標準GB/T 12771—2019流體輸送用不銹鋼焊接鋼管中S30408的技術指標要求。

表1 304不銹鋼管的化學成分(質量分數,%)

2.5 顯微硬度檢測

采用美國標樂BUEHLER 5103顯微硬度計對304不銹鋼直管和管件成品進行維氏硬度檢測,結果見表2。其結果符合技術規格要求≤220 HV。

表2 維氏硬度測試結果(HV)

3 結果分析

3.1 化學成分分析

對304不銹鋼直管和管件成品進行化學成分分析,由表1可知,其結果符合標準GB/T 12771—2019流體輸送用不銹鋼焊接鋼管[1]中S30408的技術指標要求。

3.2 顯微硬度分析

對304不銹鋼直管和管件成品進行維氏硬度檢測,由表2可知,不銹鋼直管和管件成品的顯微硬度接近,均符合技術規格要求。

3.3 微觀特征分析

對304不銹鋼直管和管件成品進行金相觀察,由圖2可知,不銹鋼直管表面有嚴重裂透的裂紋;漏氣區域有嚴重的沿晶裂紋和銅偏析,裂紋從外壁向內延伸,已經裂透整個管壁。管件成品內、外壁均有網狀沿晶微裂紋,裂紋深度分別約為94.9 μm和101.6 μm;同時管件成品有混晶現象,粗大晶粒約占42%。粗大晶粒及銅偏析的存在會降低晶界結合力,在冷加工易出現開裂[3-6]。

3.4 裂紋特征及微區成分分析

對304不銹鋼直管和管件成品進行微觀形貌和成分分析,由圖3可知,不銹鋼直管和管件成品外表面存在較多缺陷,內壁均有網狀沿晶微裂紋,說明原材料存在嚴重的腐蝕現象。由于材料晶粒粗大,使得材料強度降低,氣密性試驗時容易出現漏氣。對不銹鋼直管外壁銅偏析處及管件成品網狀沿晶微裂紋進行DES分析,由圖3(e)、3(f)可知,直管外壁銅偏析物成分為銅和錫元素;裂紋內除不銹鋼元素外,還含有銅、錫、氧、鋁、氯、硅、鈣元素。在酸洗過程中,銅和錫元素的存在會出現電位差,使得局部產生電化學加速腐蝕,導致直管失效[7-9]。

4 漏氣原因總結

通過對304不銹鋼直管和管件成品進行化學成分分析、金相檢測、顯微硬度檢測及微觀觀察,漏氣主要是因為不銹鋼直管存在銅偏析,在酸洗過程中,存在電位差,使得局部產生電化學加速腐蝕,導致不銹鋼直管失效。同時由于存在嚴重的網狀沿晶腐蝕裂紋,使得板材的有效尺寸減少,導致擴管變形時,在表面缺陷處產生裂紋,從而發生漏氣現象。

5 改進措施及效果

針對304不銹鋼管漏氣的原因,提出以下改進措施:1)更改加工工藝,在保證材料化學成分及性能的前提下,嚴格控制材料晶粒尺寸及原材表面質量,制定企業的技術標準;2)在材料制備過程中控制碳和鎳含量,減少晶界雜質和缺陷。

按照上述措施對304不銹鋼管件加工工藝進行改進后,未發生漏氣現象。