316L屬于奧氏體不銹鋼，對應國內(nèi)牌號，具有良好的塑性和耐蝕性，該不銹鋼中添加的Mo元素大大提高了其耐點蝕能力。 因此，316L不銹鋼在石化、制藥等行業(yè)得到廣泛應用。 某企業(yè)使用的316L不銹鋼盤管在使用過程中，發(fā)現(xiàn)管壁滲漏、穿孔。 管內(nèi)工作介質(zhì)為水蒸氣，工作壓力為0.9MPa，管外介質(zhì)為強堿和銅粉，工作壓力為1.0MPa，內(nèi)外壁有壓差。 筆者對其失效的原因進行了實驗分析和研究。

1 宏觀分析

1.1 外觀檢查

從外部宏觀目測發(fā)現(xiàn)，泄漏孔為外壁直徑約2mm的小孔，如圖1a所示。 內(nèi)壁有4個縱向排列的直徑約1mm的小孔，可見大量“皮膚狀”裂紋，如圖1b所示。

圖1 漏孔宏觀形貌

1.2 放大宏觀檢查

用變倍體視顯微鏡觀察，圖2a是放大40倍后內(nèi)壁漏孔的宏觀照片； 圖2b為漏孔切割后的外觀，孔內(nèi)空間較大，總體積約4mm3，孔壁起伏不平，不規(guī)則。

圖2 漏孔形態(tài)

2 檢測與分析

2.1 光譜化學成分分析

用全光譜直讀光譜儀對泄漏孔周圍的樣品進行化學成分分析。 結(jié)果（平均值）如表1所示，與ASME SA213中材料成分比較，符合標準要求。

表1 化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）（%）

2.2 拉伸試驗

采用電子萬能試驗機，從卷材上取試樣進行拉伸試驗，結(jié)果見表2。試樣斷口形貌為塑性斷口。 從對比中可以看出，該材料的抗拉強度、屈服強度和斷裂后伸長率均符合ASME SA213標準。

表2 力學性能測試結(jié)果

2.3 工藝性能測試

采用電子萬能試驗機進行擴口和壓扁試驗。 結(jié)果如表3所示。試驗后擴口試樣外觀如圖3所示，管內(nèi)壁無裂紋。 展平樣品的形貌如圖4所示，展平樣品外壁的拉伸表面產(chǎn)生裂紋。 裂紋開口端外壁為舊斷口，裂尖為新斷口。 可見管外壁有陳舊裂紋。

表3 工藝性能測試結(jié)果

圖 3 擴口試樣

圖4 壓扁試樣拉伸面裂紋

2.4 顯微金相分析

顯微金相試樣是在卷材的內(nèi)外壁和內(nèi)部加工而成，試樣的橫截面經(jīng)研磨拋光，然后用金相顯微鏡觀察。 從圖5a可以看出，線圈內(nèi)壁有“皮膚狀”裂紋，“皮膚”底部有微裂紋； 從圖5b可以看出，外壁存在大量的微裂紋，這些微裂紋起源于缺陷或腐蝕坑。 沿著夾雜物展開； 從圖5c可以看出，內(nèi)部存在大量粒狀、條狀、塊狀包裹體，包裹體大小為5～25μm。

圖5 卷材不同區(qū)域示意圖

用金相顯微鏡觀察腐蝕試樣為奧氏體，平均晶粒尺寸為6.5，晶界處有析出相，如圖6a所示。 從圖6b可以看出，內(nèi)壁有大量的變形滑移線微型不銹鋼盤管，表明存在殘余應力； 從圖6c可以看出，外壁存在穿晶和晶間裂紋。

圖6 金相圖

2.5 掃描電鏡分析

使用掃描電子顯微鏡觀察裂紋斷裂。 圖 7a 是舊骨折。 從圖7b漏水孔內(nèi)壁外觀可以看出，表面有“泥紋”腐蝕產(chǎn)物。

圖7 失效部位的SEM形貌

2.6 能譜分析

對圖7a中的舊斷口試樣進行能譜分析，如圖8所示，結(jié)果見表4。腐蝕產(chǎn)物比較復雜，主要成分為氧化物，以及Cu、Na、等也混雜。

表4 能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)）（%）

圖8 分析點能譜

3 綜合分析

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)，不銹鋼卷材的化學成分、抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率均符合ASME SA213標準的要求。 擴口試驗合格微型不銹鋼盤管，壓扁試管外壁受拉面出現(xiàn)裂紋，開口端出現(xiàn)舊裂紋。 金相顯微分析和SEM+EDS表明，組織為奧氏體不銹鋼，但存在大小不一的粒狀夾雜物，表面有“泥紋”腐蝕產(chǎn)物，特別是在漏孔處。 孔壁起伏不規(guī)則，“翹皮”處有大量微裂紋，沿包裹體擴展。

4 結(jié)論與建議

316L不銹鋼盤管泄漏的主要原因是材料中存在大量夾雜物、氧化物腐蝕產(chǎn)物、微裂紋等。 由于夾雜物的存在破壞了基體的連續(xù)性。 在殘余應力和內(nèi)外壁壓力差的共同作用下，夾雜物處易產(chǎn)生裂紋并擴展，夾雜物與高溫水蒸氣接觸。 耐蝕性遠低于材料本身，因此夾雜物被腐蝕，最后在管壁內(nèi)部形成孔洞，造成管壁穿孔漏水。 為避免類似的泄漏故障，建議采取以下措施：

1）對于線圈的使用環(huán)境，應選用夾雜物少的優(yōu)質(zhì)316L不銹鋼。

2）控制工作介質(zhì)的純度，盡可能避免腐蝕性物質(zhì)對管道的影響。

3）線圈組件在折彎焊接后進行熱處理，有效釋放殘余應力。

參考資料：略。

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