应力腐蚀裂纹引起的失效举例

某企业两个容器之间输石油产品的管道（简称输油管）为双层结构，长约1.4m，里管外径约Φ20mm，壁厚5mm，外管直径Φ80mm两端由法兰与容器连接，中间用油保温。里管管道材质为1Cr20Nil4Si2无缝奥氏体不锈钢钢管。经一年多的运行在里管壁上出现了贯穿性的腐蚀裂纹，使容器不能正常工作。

现场调查情况该输油管为双层结构，里管内表面长期在600~700℃下工作，里管外表面在200~300℃保温油下服役，间歇式工作，停工后管道冷却到室温。由于内管是封闭结构，所以长期无法进行擦洗和检修。

理化检测结果与分析采用机械方法切割取样发现在管的内壁有黑色油污，裂纹周围存在点蚀坑，裂纹由点蚀坑穿透，裂纹处有腐蚀介质存在。采用扫描电子显微镜对裂纹尖端处的腐蚀产物进行了分析，发现腐蚀产物中含有氯、硫等物质。

成分分析用直读光谱仪对钢材进行了化学成分分析，结果见下表。从表中可以看出，其成分符合1Cr20Nil4Si2的成分要求。

金相分析在不同的裂纹部位取多块试样，经磨制抛光，如一不经浸蚀用光学显微镜观察发现的裂纹形貌，裂纹主要是沿晶+穿晶的混合型开裂：

从应力腐蚀裂纹的理论可知，产生裂纹的主要原因与应力、腐蚀介质有关，此外介质的温度是加速产生应力腐蚀裂纹的重要因素。

由现场调查可知，里管内壁和外壁长期在几百度温差加热冷却交变温度下工作，由应力产生的原因可知，在一个板件上同时受热的温度不相同，这个板件就会产生内应力，而且温差越大内应力也越大。输油管里管内壁和外壁的受热温度相差300~400℃，温差状态下加热和停工时冷至室温的温度梯度，使管子在冷热交变条件下造成热应力，热应力促使腐蚀裂纹发展。在一定的腐蚀介质中，当应力较小时开裂的时间就长；应力大时，开裂时间就短。

石油中的腐蚀介质主要有H₂S、HCl，造成Cr-Ni奥氏体钢应力腐蚀裂纹的是由于C1^—的吸附和浓缩。用扫描电子显微镜对裂纹尖端处的腐蚀介质检测的结果与石油中的腐蚀介质是吻合的。影响铬镍奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹最重要的是Cl^—浓度和含氧量，Cl^—的浓度越高钢的破裂时间越短。在输油管应力腐蚀裂纹的部位，存有腐蚀介质，随着工作时间的增长Cl^—的浓度会不断增强。奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹的临界Cl^—的浓度随钢种、含氧量、介质温度等的不同而不同。

输油管的氧主要来源于介质的杂质和间歇工作带人的空气中的氧。氧的进入促使了输油管的腐蚀。

关于温度对不锈钢应力裂纹的影响有两种观点，其一认为不锈钢产生应力腐蚀裂纹存在一个温度范围，也就是开裂是在一个温度范围内，大于、小于这个温度范围开裂倾向都很小；另一个观点认为温度越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向越高。作者认为，随着温度的升高，钢表面氧化膜的致密程度降低，腐蚀钢的倾向增高。输油管的工作温度在600~700℃，Cl^—通过高温下的金属膜渗入到金属基体，金属由于温度的升高体积增大，原子间的距离运动增大，使腐蚀的速度也加快。

在Cr-Ni奥氏体钢中加入Si的目的是在钢表面形成致密的富Cr和Si钝化膜，防止晶间腐蚀和应力腐蚀裂纹。但随着温度的提高，SiO₂钝化膜的致密程度下降。此外，在交变的加热冷却作用下，相当于SiO₂保护膜被反复敲击，起破坏作用，当SiO₂膜疏松程度达到临界值时，Cl^—通过疏松的钝化膜吸附到金属表面，对金属进行腐蚀。因此，氯化物在交变的高温下采用含Si的Cr-Ni奥氏体钢并不理想。

通过选择00Crl9Nil3Mo3超低碳含钼的双相不锈钢，对管子进行喷丸处理，使管子表面形成预压应力，对管子定期擦洗。经两年多的运行证明是可行的。