某食品车间蒸汽锅炉压力管道开裂原因分析

林 寅*

（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院）

0 引言

奥氏体不锈钢不仅韧性好、耐腐蚀且外形美观，在食品工业中被广泛使用，奥氏体不锈钢蒸汽管道在食品企业中保有量较大。但在实际使用过程中，奥氏体不锈钢蒸汽管道也并非真的“不锈”，其内表面经常发现点蚀及氯化物应力腐蚀开裂，奥氏体不锈钢应力腐蚀具有以下特点：（1）裂纹隐蔽性较强，不易察觉；（2）通常为脆性开裂，对设备本体危害较大，一旦开裂将会造成灾难性的后果；（3）母材比焊缝部位容易开裂，因为焊缝中含有一部分网状铁素体，网状铁素体会切断应力腐蚀裂纹的扩展通道，阻断裂纹快速扩展。基于以上几点，对奥氏体不锈钢蒸汽管道氯化物应力腐蚀开裂的原因进行分析十分必要，可以使企业避免管道发生失效事故[1-5]。

1 管道概况

在对某食品车间蒸汽锅炉压力管道进行定期检验时发现其弯头内表面发现大量裂纹，根据设计图纸及安装竣工资料可知该压力管道材质为SUS304，管道起止点为蒸汽锅炉至食品车间用汽设备，使用年限为8 a。GB/T 1576—2018《工业锅炉水质》标准中并未要求对工业锅炉水质中氯离子的质量分数进行检测，因此使用单位及有关监管部门一直未对该锅炉锅水氯离子含量进行有效监管。该食品企业因生产卫生需要，在厂内工业用水中加入了一定量的次氯酸用来杀菌，并采用这些工业用水并经软化处理后作为锅炉给水。对锅炉给水、锅水中氯离子的质量分数进行取样化验，化验结果显示给水氯离子的质量分数为31.9×10-6，锅水氯离子的质量分数高达689.9×10-6；最后由锅水蒸发产生的饱和蒸汽中也存在高浓度的氯离子，这部分蒸汽进入管道后将对奥氏体不锈钢造成极大的危害。经宏观检查发现，该管道弯管均未见材质标识，为冷弯管，弯曲半径为4D（直径），外观呈现明显的轴向拉丝纹理，褶皱明显，剖开弯管后发现，内表面存在大面积密集型裂纹，裂纹开口较大，呈阶梯状断续延伸。

2 理化检验

2.1 硬度检测

沿管道内表面的圆周方向均匀取5点，记为H1～H5，如图1所示。对弯管内表面H1～H5进行布氏硬度检测，检测结果如表1所示。

图1 管道内表面裂纹情况

表1 弯管内表面硬度检测结果 HB

根据GB/T 13401—2017《钢制对焊管件 技术规范》的相关要求，从表1可以看出，弯管硬度实测值已超出标准值22.9%～32.3%，硬度明显偏高。

2.2 铁素体测定

经测试，该弯管具有一定的磁性，但管道材料SUS304为奥氏体组织，理论上是不存在磁性的。因此对弯管进行FN数值测量（FN数表征马氏体相变量），测量结果如表2所示。

表2 弯管FN数测量结果

从表2可以看出，弯管FN实测数值已严重超出正常范围，其中存在大量的形变马氏体，使得检测结果中FN数值严重偏高。

2.3 化学成分分析

对弯管H3点取金属粉末进行，通过X射线和原子全谱直读光谱进行金属化学成分分析，分析结果如表3所示。

表3 弯管金属化学成分分析结果（质量分数） %

从表3可以看出，弯管金属化学成分与GB/T 13401—2017标准要求出入较大。

2.4 金相检验

对H3点进行金相检验，检验结果如图2所示，奥氏体晶粒沿着一定的方向被拉长，形成了带状组织，并发生组织相变形成马氏体组织。

图3 金相组织

3 裂纹原因分析

3.1 材质选用不当

表3的分析结果显示，钢材中Mn元素含量过高，Ni含量则过低。Ni是形成和稳定奥氏体的重要元素，能够显著提高钢材的韧性和耐腐蚀性。虽然Mn也是形成和稳定奥氏体的元素，但在形成奥氏体组织方面，Mn的作用只有Ni的一半；在稳定奥氏体组织方面，Mn的作用是降低钢的临界淬火速率，在冷却时可抑制奥氏体组织分解。同时，Mn增加会使钢材的耐腐蚀性能和抗氧化性能下降。以Mn代替Ni，将会显著降低奥氏体不锈钢的稳定性，在对钢材进行冷加工变形后，将促使奥氏体组织向马氏体组织转变。马氏体组织将对材料带来以下危害：（1）硬度提高，韧性降低，耐腐蚀性能降低；（2）增大晶粒间的位错，并沿一定的方向呈阶梯状排列；（3）内部残余应力增加；（4）马氏体是在位错密度高、界面能较高的地方形成，这也是应力集中的位置，该位置与带状组织和孪晶缺陷的地方往往是裂纹形成的位置，裂纹形成后则沿着晶粒变形方向扩展。

3.2 氯化物应力腐蚀开裂

通过表3可以看出，在弯头化学成分中，C含量过高，Cr含量不足，材料中以Mn代Ni，这些原因都会使奥氏体不锈钢的耐腐蚀性降低。奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，主要是由于Cr、Ni元素在不锈钢表面与氧原子反应形成一层以CrO3、NiO为主要成分的钝化膜。当不锈钢表面存在氯离子时，氯离子优先被金属吸附，并将钝化膜中的氧原子排挤掉，从而破坏钝化膜，使不锈钢失去防腐蚀能力。同时，氯离子半径小，穿透能力强，能够穿透钝化膜，到达奥氏体晶间与Cr反应形成可溶解的化合物。氯离子晶间腐蚀优先在奥氏体晶粒之间的错位、间隙、微小裂纹源等微观缺陷进行。当奥氏体不锈钢进行冷加工变形后，微观缺陷增加，并沿一定的方向有序排列。于是氯离子晶间腐蚀便沿着微观缺陷的排列方向进行，形成断断续续的腐蚀坑。同时，晶粒间的微小裂纹源在管道运行压力、内部残余应力以及氯离子腐蚀的作用下，逐渐扩展、延伸，并将这些断断续续的腐蚀坑连成一条条肉眼可见的裂纹。

3.3 形变马氏体

奥氏体不锈钢管道经过冷加工变形后会产生形变马氏体，表2的检测数据表明了奥氏体不锈钢管道母材中含有一定量的马氏体组织，这部分马氏体组织的电位低于母材奥氏体，在含氯介质中会造成应力腐蚀滑移溶解，进而产生应力腐蚀裂纹，且马氏体含量越多，应力腐蚀的敏感性就越强。

4 预防措施与建议

应选用材料标识及质量证明书均符合标准及设计要求的弯管进行更换。与蒸汽管道相连的锅炉，给水可采用阴离子交换树脂对氯离子进行消除处理。锅水及蒸汽管道冷凝水应定期进行化验，超过25×10-6时，应将锅水及蒸汽管道冷凝水排干净后方可重新投入运行。

在奥氏体不锈钢压力管道安装监检过程中，检验人员应确认材料标识及质量证明书是否符合标准及设计要求，必要时进行金相检验及化学分析复验；在定期检验过程中，检验人员应注意检查管道蒸汽来源是否进行氯离子含量化验及控制，对蒸汽冷凝水进行取样化验，条件允许或者必要时，可以对管子、管件取样剖开进行内表面宏观检查及无损检测，及时排查缺陷。

5 结语

奥氏体不锈钢对氯离子敏感，而现实中往往都未对奥氏体不锈钢压力管道介质来源进行氯离子含量化验及控制，造成管道中氯离子含量过高，形成氯离子应力腐蚀。而由于管道长、管径小，往往未进行内表面检查，形成监管真空地带，需引起各方重视。