浙江至德鋼業有限公司通過對工程試樣進行理化分析，研究奧氏體不銹鋼壓縮空氣管母材裂紋性質及其產生的原因。結果表明，管材外表面母材局部區域存在嚴重的晶間腐蝕；裂紋起裂于晶間腐蝕區域，且沿晶開裂，斷口形貌為脆性沿晶斷口，據此判斷裂紋是由晶間腐蝕導致。焊接熱循環使得管材局部區域產生敏化處理，管材未進行固溶處理，管材運行環境中存在氯離子等腐蝕性元素，以及管材鉻、鎳和碳含量不符合奧氏體不銹鋼標準要求是導致裂紋產生的主要原因。

一、項目背景

  以鉻、鎳為主要合金元素的奧氏體不銹鋼是不銹鋼中生產量最大、應用最廣泛的一種耐酸鋼，約占不銹鋼總產量的70%，其基本型是Cr18Ni8~10。奧氏體不銹鋼的最大問題是局部腐蝕，包括晶間腐蝕、孔蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕破裂。局部腐蝕嚴重影響設備的穩定運行，對設備安全性造成很大的隱患。某LNG電站機組投產至本次停機，共運行近5萬小時。其壓縮空氣管材質為304不銹鋼管，規格為70×10mm。其結構為兩根直管，中間由一段90°彎頭連接，如圖所示。運行中發生泄漏，停機檢查發現管道彎頭處存在多處裂紋，裂紋均位于距離焊縫10mm左右的彎頭側母材區域。

二、理化試驗

 1. 化學成分分析

  對304不銹鋼彎頭母材和焊縫進行化學成分分析，分析結果見表。結果顯示，母材成分鉻和鎳含量低于標準要求值。

 2. 金相觀察

  對試樣焊縫和熔合線金相觀察，焊縫金相組織為枝狀奧氏體，組織正常，如圖所示。對試樣腐蝕前進行金相觀察，外壁存在晶間腐蝕，部分晶粒脫落，內壁觀察無晶間腐蝕現象，試樣熔合線金相組織如圖所示。腐蝕后進行金相觀察，母材處均存在大量的李晶位錯，試樣內壁無晶間腐蝕圖所示。對裂紋尖端進行觀察，裂紋沿晶開裂。

  3. 斷口分析

對2#試樣斷口分析，如圖所示。斷口呈冰糖狀，裂紋為脆性。

  4. 能譜分析

  對試樣試裂紋進行能譜分析，結果見圖。裂紋析出物主要為鉻、鎳的氯化物和硫化物。

三、裂紋性質分析

  通過試驗分析和304不銹鋼管工作環境分析，該裂紋屬于晶間腐蝕導致的沿晶開裂裂紋。

  管子外壁局部存在嚴重的晶間腐蝕現象晶間腐蝕是指在某些腐蝕介質中，晶粒間可能先行被腐蝕，使晶粒之間喪失結合力的局部破壞現象。在對晶間腐蝕材料作斷面金相檢查時，可發現晶界或毗鄰區域發生局部腐蝕，甚至晶粒脫落，腐蝕沿晶界發展推進較為均勻。

  至德鋼業對本試樣進行金相觀察發現，該壓縮空氣管外表面局部存在嚴重的晶間腐蝕現象，且部分晶粒脫落，而內表面無晶間腐蝕現象。裂紋斷面金相顯示，裂紋主要沿晶界擴展，由外表面向內表面擴展。斷口掃描電鏡觀察，斷口呈冰糖狀，為脆性沿晶斷口。

  裂紋不具有應力腐蝕裂紋的特征金屬材料在應力（拉應力）和腐蝕介質的聯合作用下，經過一定時間后出現低于材料強度極限的脆性開裂現象，致使金屬材料失效，這種現象稱為應力腐蝕開裂。

  該壓縮空氣管暴露于空氣中運行，空氣中含有氯離子等腐蝕性元素，具備應力腐蝕開裂的腐蝕介質條件；但從裂紋形貌上看，并未發現裂紋分叉形貌，且從管橫截面看，除貫穿型裂紋外，304不銹鋼彎頭表面上幾乎均有腐蝕深度接近的裂紋。這些特征，均不是應力腐蝕裂紋的特征，因此該裂紋不是應力腐蝕裂紋。

四、裂紋原因分析

  1. 304不銹鋼彎頭母材化學元素含量偏差導致晶間腐蝕情況

   不銹鋼在弱氧化性介質中發生的晶間腐蝕，可以用貧鉻理論同解釋。碳在奧氏體中的飽和溶解度小于0.02%，一般不銹鋼的含碳量都高于這個數值。當不銹鋼從高溫冷卻下來時，碳處于過飽和。受到敏化處理時，碳和鉻形成碳化物在晶界析出。由于碳化鉻含鉻量很高，而鉻在奧氏體中擴散速率很低，這樣就在晶界兩側形成了貧鉻區，其含鉻量低于12%（質量分數），因而鈍化性能與晶粒不同，即晶界區和晶粒本體有了明顯差異。

   通過對試樣化學元素分析，該彎頭試樣母材的鉻、鎳含量均低于標準要求值，而碳含量高于標準要求值。

  18-8型奧氏體不銹鋼在鉻、鎳含量分別為18%和9%時，有利于得到單相奧氏體組織及提高鋼的電極電位，二者的含量對不銹鋼的耐蝕性有很大影響。碳對不銹鋼的耐蝕性有重要影響，當不銹鋼中的含碳量增高時，則以碳化物的形式析出，一方面增加鋼中微電池的數目，同時也減少基體中的含鉻量，使其電極電位降低，從而加劇鋼的腐蝕。如果鉻碳化物沿晶界析出，將使晶界附近基體中的含鉻量減少，電極電位降低，從而導致晶間腐蝕。因此奧氏體不銹鋼中含碳量應小于0.1%。

  2. 焊接導致奧氏體不銹鋼局部發生敏化處理

  實踐表明，不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的熱處理以后發生的，這種熱處理造成了不銹鋼晶粒和晶界的顯著差異，從而產生晶間腐蝕傾向。當不銹鋼在弱氧化性介質中使用時就會發生晶間腐蝕。使不銹鋼產生晶間腐蝕傾向的熱處理即敏化熱處理，奧氏體不銹鋼的敏化熱處理溫度范圍為450～850℃。

  當奧氏體不銹鋼在這個溫度范圍較長時間加熱（如焊接）或緩慢冷卻，就產生了晶間腐蝕敏感性。含碳量較高的奧氏體不銹鋼受到敏化處理時，應進行固溶處理，即在1050~1100℃加熱，使碳化鉻溶解，迅速淬冷，通過敏化加熱溫度區，不使碳化鉻再析出，以消除晶界貧鉻區。

  奧氏體不銹鋼在進行氣焊或電弧焊等工藝時，焊接接頭附近（450～850℃區域）易發生晶間腐蝕。該試樣裂紋均產生于焊縫附近，且該焊縫存在補焊區域，多次焊接熱循環導致接頭附近溫度達到敏化熱處理溫度；且在金相組織觀察下，彎頭母材存在大量的攣晶組織，說明該彎頭在出廠時并未進行固溶處理，從而導致焊接接頭附近的母材局部發生敏化處理。

五、總結

  1. 該奧氏體不銹鋼裂紋性質為晶間腐蝕導致的開裂。彎頭母材外表面局部區域可以觀察到嚴重的晶間腐蝕，裂紋起裂于晶間腐蝕區域，且沿晶開裂，斷口形貌呈冰糖狀，均符合晶間腐蝕開裂的特征。

   2. 空氣中存在氯離子等腐蝕性離子，管材鉻、鎳含量偏低，碳含量偏高，使得304不銹鋼管的耐蝕性降低；304不銹鋼彎頭出廠時未進行固溶處理，導致焊接接頭附近的母材局部發生敏化處理，促進了晶間腐蝕的產生。

   3. 焊接熱循環導致不銹鋼局部發生敏化處理，且304不銹鋼彎頭管材在出廠時未進行固溶處理，鉻以碳化物形式在晶界處析出，導致晶界貧鉻，使彎頭側焊縫附近的母材產生晶間腐蝕，進而形成宏觀裂紋。