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(jié)果表明:環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)滲入到金屬軟管內(nèi)層,內(nèi)層在腐蝕性介質(zhì)與外力的 共同作用下發(fā)生了沿晶應力腐蝕開裂,導致金屬編織網(wǎng)斷裂和波紋管減薄,最終在外力的作用下軟 管發(fā)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(nèi)部波紋管材料為316L不銹 鋼,其保護套管與金屬編織網(wǎng)材料為304不銹鋼。 該金屬軟管在使用過程中發(fā)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(fā)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(wǎng)-波紋管結(jié)構(gòu),每層之間通過焊接 結(jié)合在一起,金屬編織網(wǎng)及波紋管在根部發(fā)生斷裂 [見圖2b)]。波紋管及金屬編織網(wǎng)的斷口宏觀形貌 如圖2c)所示,在保護套管內(nèi)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(wǎng)、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(jié) 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(guī) 格》的要求。保護套管與金屬編織網(wǎng)的化學成分分 析結(jié)果如表2所示,由表2可知,保護套管中Cr元素的質(zhì)量分數(shù)不符合 ASTM A484/A484M—2018 《不 銹鋼棒、坯料和鍛件一般要求的標準規(guī)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(wǎng)兩部分。
波紋管斷口的SEM 形貌如圖4所示,由圖4可 知:外側(cè)呈沿晶斷裂特征,內(nèi)側(cè)呈韌窩特征,為瞬斷 區(qū);波紋管斷裂于外側(cè),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(jié)果如圖5所示。
金屬編織網(wǎng)斷口的SEM 形貌如圖6所示,由 圖6可知:金屬編織網(wǎng)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(wǎng)斷口進行能譜分析,可檢測到腐蝕性硫元素,結(jié)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(wǎng)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(nèi)的產(chǎn)物進行能譜分析,結(jié)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(huán)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(wǎng)及波紋管焊接處的 根部發(fā)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(nèi)層有腐蝕痕跡。 波紋管與金屬編織網(wǎng)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(jié)果表明,其顯微組織未見 異常。
波紋管外側(cè)呈沿晶斷裂特征,內(nèi)側(cè)呈韌窩特征, 為瞬斷區(qū),說明波紋管斷裂起源于其外側(cè)。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(wǎng)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(wǎng)處可見腐蝕坑及沿晶裂 紋,在裂紋及腐蝕坑內(nèi)的產(chǎn)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(huán)境 中含有以上腐蝕性元素,這些元素滲入金屬軟管內(nèi) 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(wǎng)及波紋管的焊接處發(fā)生應力腐蝕開裂,導 致金屬編織網(wǎng)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(jié)論及建議
(1)金屬軟管中波紋管與金屬編織網(wǎng)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(nèi)的金屬編織網(wǎng)及波紋管在腐蝕 性介質(zhì)的作用下發(fā)生沿晶應力腐蝕開裂,導致金屬 編織網(wǎng)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(xiàn)該類問題,建議隔絕金屬 軟管使用環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì),避免其滲入鋼管內(nèi) 部;建議優(yōu)化焊接工藝,防止焊縫及熱影響區(qū)處析出 碳化鉻,形成貧鉻區(qū),導致其耐腐蝕性能下降。
參考文獻:
[1] 黃薪鋼,陳建國,黨麗華,等.波紋金屬軟管泄漏原因 分析[J].金屬加工(熱加工),2022(5):52-55.
[2] 劉軍.金屬波紋管相關焊接工藝評定研究[J].機電信 息,2020(11):90-91.
[3] 陳彩霞,王步美,陳楊.金屬軟管泄漏原因分析與預防 [J].壓力容器,2018,35(4):67-73.