304L不锈钢管失效分析

付现桥,徐 敬,卜明哲,陈珏伶

(中国石油集团工程设计有限责任公司 华北分公司，任丘 062522)

304L不锈钢具有良好的耐蚀性、焊接性能等，广泛应用于石油、化工等行业。但304L不锈钢在使用过程中易受到以氯离子为代表的卤素离子的侵蚀而发生严重的局部腐蚀，进而诱发应力腐蚀开裂，导致材料穿孔失效，这不仅会造成经济上的损失，还有可能发生严重的人员伤亡的事故。因此，304L不锈钢的应力腐蚀开裂会严重影响304L不锈钢管道和设备的安全性能和使用寿命[1-4]。

某工程管道完成焊接并经过了试压，在放置了一段时间后，部分钢管发生泄漏。泄漏钢管材料为304L不锈钢，管径为168.3 mm，壁厚为3.6 mm，符合GB/T 14976-2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》的要求，焊接方式为氩电联焊(GTAW+SMAW)，焊接材料为CHG-308L(ER 308L)和CHS-002(E308L-16)，分别符合AWS A5.9：2006《裸不锈钢焊条和焊棒的规范》和AWS A5.4/A5.4M:2006《保护金属电弧焊用不锈钢焊接焊条标准》的要求，其化学成分见表1。

表1 焊材的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of welding materials (mass fraction) %

为了解该304L不锈钢管失效的原因，本工作通过各种分析手段对该失效钢管进行了理化检验和分析，并提出了相应的解决方案和措施。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌分析

截取穿孔管段，观察其宏观形貌。由图1可以看出，不仅304L不锈钢管母材发生了腐蚀穿孔，热影响区也发生了腐蚀穿孔。母材处的泄漏孔位于管线底部，孔径为3～5 mm，在母材外表面的泄漏孔周围有二次腐蚀痕迹，母材内表面可见均匀覆盖的黄色腐蚀产物及大量点蚀坑。热影响区处的泄漏孔孔径为1～2 mm，在其内表面可见黄色浮锈，外表面无显著腐蚀痕迹，其余部分未见异常。

(a) 母材外表面 (b) 热影响区外表面 (c) 母材内表面 (d) 热影响区表面图1 失效304L不锈钢管穿孔管段的宏观形貌Fig. 1 Macrographs of perforated section of failed 304L stainless steel pipe: (a) outside surface of substrate; (b) outside surface of heat affected zone; (c) inside surface of substrate; (d) inside surface of heat affected zone

1.2 化学成分分析

采用光电发射光谱仪(OES) 和碳硫分析仪对失效304L不锈钢管的母材和焊缝进行化学成分分析，结果见表2。结果表明：失效304L不锈钢管的母材中碳含量超标；焊缝中碳含量也偏高，这主要是由于焊接时母材中的碳元素向焊缝扩散造成的；另外焊缝中锰、铬及镍等元素含量低于焊材中的，这主要是由于焊接时焊材中锰、铬及镍等元素向母材区域扩散或烧损造成的。

表2 失效304L不锈钢管母材和焊缝的化学成分(质量分数)Tab. 2 Chemical composition of substrate and weld of failed 304L stainless steel pipe (mass fraction) %

铬元素与氧元素反应在不锈钢表面形成致密的钝化膜是不锈钢具有较好耐蚀性的根本原因。因此，铬元素对不锈钢的耐蚀性起决定作用。但不锈钢中碳含量超标很容易引起贫铬现象的发生，导致与氧反应的铬元素的量不足，从而无法形成致密的钝化膜，因此不锈钢的耐蚀性下降。故碳含量对不锈钢的耐蚀性也起着重要的作用。另外，在热影响区受热过程中，晶粒长大，同时碳元素不断扩散到晶界与铬形成碳化物，造成晶界缺少铬，形成一条贫铬带，此处很难形成较为完整的氧化铬钝化膜，腐蚀很容易从此处诱发[4-8]。

1.3 显微组织及夹杂物分析

采用Nikon ECLIPSE LV150N光学显微镜，依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》标准分析失效304L不锈钢管穿孔母材处的显微组织和夹杂物。由于腐蚀穿孔基本发生在母材处，故仅对母材进行了夹杂物分析。

由图2可看到：穿孔母材处的显微组织为均匀、等轴的奥氏体，晶内有孪晶，部分区域明显存在加工导致的带状痕迹。

图2 失效304L不锈钢管穿孔母材处的显微组织Fig. 2 Microstructure of substrate near perforated section of failed 304L stainless steel pipe

由图3可以看到：穿孔母材处的夹杂物主要有A类(硫化物类)、B类(氧化铝类)、C类(硅酸盐类)和D类(球状氧化物类)夹杂。

(a) A类、C类和D类夹杂物

将失效304L不锈钢管穿孔母材处的夹杂物等级进行划分，并与ASTM E45-2011《钢中夹杂物含量的评定方法》标准进行了比较，如表3所示。经对照，穿孔母材处的D类夹杂物等级不符合常规要求。夹杂物的有害作用主要体现在导致不锈钢的钝化膜不完整，从而降低钢的耐蚀性，促进管道的腐蚀。建议降低钢管中夹杂物的等级，夹杂物等级越低管道的耐蚀性越强，根据经验一般把非金属夹杂物控制在2.0级以下。

表3 失效304L不锈钢管穿孔母材处的夹杂物等级Tab. 3 Grades of inclusions in substrate near perforated section of failed 304L stainless steel pipe

使用扫描电镜对出现D类夹杂物区域的元素进行线扫描，如图4所示。结果表明：D类夹杂物处铝和氧元素扫描谱线出现忽然变高的情况，说明该处铝和氧的含量较高，夹杂物中含有氧化铝；铁和铬扫描谱线出现峰谷，说明此处铬含量偏低，不易形成铬氧化物钝化膜，腐蚀更容易在此处开始。

(a) 线扫描区域

(b) 线扫描结果图4 D类夹杂物处线扫描区域及结果Fig. 4 Linear scanning area near D inclusions (a) and results (b)

1.4 腐蚀产物形貌及成分分析

泄漏孔周围分布着许多尺寸约为0.1 mm×0.06 mm的微小蚀坑，其数量约13个/mm2，如图5所示。

图5 失效304L不锈钢管内壁腐蚀形貌Fig. 5 Corrosion morphology of inner wall of failed 304L stainless steel pipe

采用能谱仪(EDS)对泄漏孔周围的腐蚀产物进行元素分析，结果见表4。结果表明：泄漏孔周围的腐蚀产物中氧含量很高，说明该区域发生了严重的氧腐蚀，腐蚀产物以铁氧化物为主；泄漏孔周围的腐蚀产物中含有少量硫和氯元素。表层和底层的腐蚀产物均含有少量氯元素，说明氯离子影响或者伴随腐蚀的整个过程。腐蚀产物中的硫和氯元素均来自试压水。经检测，试压水中氯离子的质量浓度达到95 μg/L，已经超过标准要求的25 μg/L；SO42-的质量浓度为86.2 μg/L，在硫酸盐还原菌(SRB)的作用下，硫元素对304L不锈钢腐蚀起到了加速作用。

表4 漏点周围腐蚀产物EDS分析结果(质量分数)Tab. 4 EDS analysis results of corrosion products near leakage point (mass fraction) %

1.5 硬度分析

从失效钢管的焊接接头处取样，采用维氏显微硬度计，依据GB/T 4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》标准分析带环焊缝穿孔试样的硬度，结果如图6所示。结果表明：失效钢管的硬度符合GB 13296-2003《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》标准要求(不大于220 HV)。

图6 失效304L不锈钢管焊接接头的硬度Fig. 6 Hardness of welded joint of failed 304L stainless steel pipe

2 失效原因分析

宏观形貌分析表明，失效管段的主要腐蚀特征为点蚀穿孔，在含有侵蚀性阴离子(如氯离子)的环境中，奥氏体不锈钢的钝化膜极易遭到破坏，从而发生点蚀。化学成分分析表明，母材及焊缝中碳含量均超标,易引起晶间贫铬，焊接过程中焊材中的锰、铬及镍等元素向母材区域扩散、烧损，热影响区的晶粒长大以及铬元素向晶界的偏移都加速了这一现象的发生，从而降低了不锈钢表面铬化膜的致密性。显微组织及夹杂物分析表明， D类夹杂的存在增加了材料发生电偶腐蚀的倾向，破坏了钝化膜的完整性，降低了材料的耐蚀性。

304L不锈钢管在试压完成后排水不彻底，容易发生死水腐蚀。介质为非流动、滞流状态，水中的污垢和氯化物等都会向管底部沉淀和堆积。随着时间的延长，带有氯离子的腐蚀介质越积越多，并与氧气共同作用破坏了304L不锈钢的钝化膜，从而导致腐蚀的发生。

3 结论与建议

由于该304L不锈钢管的材料本身存在缺陷、现场焊接工艺不当以及试压后残余水未及时排净，导致304L不锈钢管发生由氯离子引起的点蚀，最终造成腐蚀穿孔失效，为防止以后类似情况发生，提出以下建议：

(1) 冲洗管道应使用洁净水，冲洗奥氏体不锈钢管道时，水中氯离子含量不得超过25 μg/L。若管道经水冲洗合格后暂不运行，应将水排净，并应及时吹干[5-9]。

(2) 根据GB/T 14976-2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》标准要求，304L不锈钢中碳含量应当严格控制在0.03%(质量分数)以下。

(3) 非金属夹杂物的出现将破坏金属表面钝化膜的完整性，降低不锈钢的耐蚀性，建议将不锈钢中非金属夹杂物等级控制在2.0以下。