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                高炉煤气管线用波形膨胀节失效分析

 

摘要：本文据某钢厂工艺改变后煤气管线上的膨胀节频出渗漏的现象，对漏损失效波形膨胀节进行了较为详尽的失效分析，发現点蚀和应力腐蚀是失效的主因，并据此提出了改进的建议

关键词：波形膨胀节；失效分析；点蚀；应力腐蚀

 

Analysis of Failure of Bellows Expansion Joint for Blast Furnace Gas

Shao Xiao-bing1  Li Yong-sheng1  Chen Guang-bing2  Hou Zhi-hai2

(1. Nanjing University of Techhology，Nanjing，210009，2.Qinhuangdao Taidy Pipe Industry CO.LTD) 

 


Abstract： This paper according to some steel plant bellow expansion joints for blast furnace gas has occurred leakage phenomenon after technology chance, bellow expansion joints has carried on the more exhaustive analysis of failure and discovered the pitting and the stress corrosion are principal factor of failure. According to the above and put forward the improvement proposal.

Keywords：expansion joints；analysis of failure；pitting；stress corrosion

 

1.概述

   今年初某钢铁集团高炉因生产工艺改变，煤气管线上的波形膨胀节频繁出現渗漏，膨胀节制造厂秦皇島泰德管业有限公司在用户的支持下，将失效的波纹管送交南京工业大学波纹管研究中心检验，波纹管失效状态为泄漏失效，材料316L，直径700mm，每层1mm共两层；波数4波。使用条件：用于高炉煤气管道系统，压力：0.15～0.25MPa；温度：180～250℃。使用3个月后出现腐蚀洩漏。

 

2. 检测分析

    送检泄漏波纹管残骸宏观形貌由图1所示。从图1（a）可以看到，波纹管的外表面局部粘附黑灰色的胶质物，据厂方称，运行过程中波纹管发生点状泄漏后，用粘胶堵塞漏点。但此外在波纹管波峰上仍可看到多处泄漏点（图1a中箭头所指位置），孔蝕点处堆积较多的褐色氧化物。其他部位还保持一定的金属光泽

图1b为波纹管内壁表面形貌。在波纹管波距间填充硅酸铝棉保温材料，内壁均呈黑灰色，氧化程度比较严重，已失去金属光泽。

　 　 　
　
　
 

 

 

 

 

 

 

 


               （a）外表面泄漏点形貌                          （b）内壁表面形貌

图1  波纹管残骸宏观形貌

 

2.1 宏观形貌

 

    对图1a中箭头所指位置截取样品（编号为1#、2#、3#），清洗后进行宏观检查。在检查中观察到，两层波纹管内外壁均发生不同程度的腐蚀。

图2 a)分别为（1#、2#、3#）波纹管外层外表面宏观形貌，在靠近波峰位置的点腐蚀位置上还发現有纵向裂纹。

图2 b)、c)分别为波纹管外层内表面和内层的外表面在相同位置有数条纵向裂纹。

波纹管内层内表面在灰黑色的氧化层中，还分布较多的点腐蚀坑，见图2d)所示。

　
 

 

 

 


 

a） 波纹管外层外表面腐蚀位置宏观形貌

 

　 　 　 　
　 　
 

 

 

 


b）波纹管外层内表面和内层外表面裂纹形貌

 

　 　 　 　
　 　
 

 

 

 

 


C）波纹管內层外表面形貌        d）波纹管内层内表面点腐蚀形貌

                   图2  （1#、2#、3#）两层波纹管清洗后内外表面宏观形貌  

 

 

 

2.2  裂纹形貌

在体式显微镜5X～20X下观察到，在波纹管外层内外表面和内层外表面点蚀位置还分布有较多的分叉状纵向裂纹（图3），

内层内表面分布较多的点腐蚀坑（图4）。

　 　 　
　 　
 

 

 

 

 

 

图3 外层波纹管内、外壁点腐蚀坑和裂纹形貌

 

 

 

 

 

                

 图4内层波纹管內壁点腐蚀坑和裂纹形貌 

 

在扫描电镜100X下观察到，两层波纹管内外表面分布较多大小不等的点腐蚀坑（图5、6）和裂纹，大多数裂纹靠近波峰，起始于点腐蚀坑，呈分叉状（图7）。内层内表面点腐蚀坑多于其他部位。有的腐蚀坑已贯穿形成腐蚀空洞（图5），在腐蚀孔周围存有泥纹状的腐蚀产物（图8）。

　 　 　
　 　
 

 

 

 

 

 

 图5 波纹管外表面点蚀坑形貌                 图6波纹管内表面分叉状裂纹形貌

 

 

　 　 　
　 　
 

 

 

 

 

 

图7波纹管内层管壁点腐蚀坑和裂纹形貌              图8 裂纹边缘泥纹状腐蚀产物

 

2.3  断口形貌

波纹管裂纹的断口表面较多的泥纹状腐蚀产物（图9）。经清洗后断口出现混合型断口形貌，有的呈解理断裂断口形貌（图10），有的部位呈现出腐蚀疲劳断裂断口形貌。

　 　 　
　 　
 

 


图9 断口表面覆盖的腐蚀产物                                图10 裂纹断裂面解理断口形貌

 

2.4腐蚀产物能谱分析

波纹管表面沉积物与断口表面泥纹状腐蚀产物经能谱分析后得知，除基体材料应有的成分外还含有O、Cl、S元素。

 

2.5 金相组织、及裂纹形貌

两层波纹管经镶嵌磨制浸蚀后进行金相组织观察，两层波纹管的金相组织为奥氏体不锈钢正常的金相组织，经过冷挤压变形后，金相组织中分布变形流线（图11）。

在观察金相组织的同时，发现内层波纹管金相组织中分布细小的，略呈淡黄色的带状夹杂物，经扫描电镜200X～3000X观察，夹杂物呈方形或长方形串联分布在基体上（图12）。经能谱分析，夹杂物为含有Ti的复合型夹杂物（图13）。返回到内层内表面点腐蚀坑较多的部位观察，在发生点腐蚀程度较轻的位置也观察到了较多的方形夹杂物，经能谱分析仍为含有Ti的复合型夹杂物（图14）。

　 　 　 　
　 　
 

 

 

 

 

 

图11 波纹管200X下金相组织                    图12  3000X下夹杂物形貌

 

　 　 　 　
　 　
 

 

 

 

 

 图13夹杂物为含有Ti的复合型夹杂物                 图14含有Ti的复合型夹杂物

 

波纹管截面（厚度）上裂纹形貌见图15、16、17。分别从图中的波纹管内、外层泄漏位置裂纹形貌可以看出，裂纹起始于内层波纹管的内表面点腐蚀坑。

  

 

 

 

 

                                                                                                         

图15 两层波纹管泄漏位置截面上的裂纹形貌（80X）

　 　 　
　 　
 

 

 

 

 

 

                     

图16  波纹管内层泄漏位置树枝状               图17  波纹管外层泄漏位置树枝状裂纹形貌（80X）                               裂纹形貌（80X）

 

2.6 波纹管材料化学分析结果

两层波纹管经取样后进行化学成分分析，其结果见表1所示。

    分析结果

样品与标准

化    学   成    分   （Wt%）

C

Si

S

P

Mn

Cr

Ni

Mo

内、外层

0.021

0.54

0.01

0.003

17.64

11.58

2.29

标淮值

00Cr17Ni14Mo2

≤0.03

 

≤1.00

≤0.03

≤0.045

≤2.00

16.00～

18.00

12.00～

15.00

2.00～

3.00

从表1化学成分分析结果来看，波纹管内、外层材料均为00Cr17Ni14Mo2（SUS316L）奥氏体不锈钢。

2.7 波纹管内残留水样成分分析

送检波纹管内残留水样有些混浊，呈淡黄色。经过滤后进行PH值和Cl、SO42- 分析。其结果为：Fe: 16.32 mg/L，总酸度CaCO3: 258.72 mg/L，氯化物Cl-：231.72 mg/L，硫酸盐（SO4 2-）：20 mg/L ，电导率：0.9×103 μυ/cm ，PH: 6.0

 

3.分析讨论

 

从上述檢测中得出以下结果：

1）由材料化学分析知，送检波纹管材料是由奥氏体不锈钢316L(00Cr17Ni14Mo2)组成。

2）两层不锈钢的金相组织均为奥氏体正常组织（图11）。但在内层不锈钢金相组织中发现呈链状分布的TiN夹杂物(图12)。

3）由波纹管解剖后所观察到的宏观、低倍形貌表明，波纹管在运行中内层内表面在发生均匀氧化腐蚀的同时发生了点腐蚀（图3、图4）。再由图5图6和图7、图15、16、17树枝状裂纹说明，波纹管运行中还发生了应力腐蚀，内层外表面和外层内外表面以应力腐蚀为主，裂纹沿纵向分布。

4）波纹管裂纹断裂面的断口形貌为解理（图10）、疲劳条带混合型断口形貌。解理断口是奥氏体不锈钢发生应力腐蚀后的特征形貌之一。

5）在内层波纹管发生点腐蚀的位置存在颗粒状的TiN夹杂物（图13、图14）。

6）腐蚀产物能谱定性分析数据表明，其中均含有一定量的O、Cl、S元素。在奥氏体不锈钢材料中不含有这些元素，应为使用环境中所有。

7）波纹管内保温棉中含有一定的Cl、S元素。

8) 送检波纹管内残留水样PH为6.0，呈弱酸性，水样中Cl-含量高，SO42-含含量

和总酸度、电导率、总含盐量均偏高，易造成电化学腐蚀。

 

综上，引起不锈钢点蝕的因素有二：即材料因素和环境因素，送檢波纹管表面沉积的腐蚀产物能谱分析和水样分析结果均说明，波纹管使用环境中存在Cl、S元素。波纹管使用温度180～250℃，并积留较多的水，这完全符合引起奥氏体不锈钢产生点腐蚀、应力腐蚀的必要条件，即Cl-高量存在 和湿度环境。

波纹管材料采用00Cr17Ni14Mo2(316L)奥氏体不锈钢，应具有一定的抗点腐蚀的能力。但由于TiN夹杂物(可能是冶炼中残留的)，造成了微区不均匀性，在潮湿的环境中，TiN夹杂物与与含有Cl- 沉积物之间产生微区电化学反应，即产生点腐蚀，随着时间推移，点腐蚀逐渐向壁厚深处扩展，直至穿透，形成孔洞。同时，由于波壳受到拉应力(残余拉应力和工作拉应力)的作用，造成腐蚀由点蝕开始，呈树枝状裂纹沿波壳壁厚纵深方向延伸，最终造成点蝕加应力腐蚀的失效破裂。

 

4. 结论

  送检波纹管发生局部泄漏失效的性质是：在Cl- 条件和在潮湿的环境中产生点腐蚀、应力腐蚀开裂。

5. 建议

研究表明，选用耐点腐蚀性能优良的不锈钢，一般釆用提高不锈钢抗点蝕性能最

有效的元素Cr、Mo及N的高铬、含钼、含氮不锈钢。

 

 

参考文献

1.       李永生、刘桐生，在役热力管道膨胀节腐蚀状况和寿命评估，南京工业大学波纹管研究中心，2000.12

2.     李永生、李建国主编，波形膨胀节实用技术——设计、制造与应用，化学工业出版社，2000.9

3.     吴望周，化工设备断裂失效分析基础，东南大学出版社，1991

4.     徐坚、戴新民、夏再筑，腐蚀金属学及耐腐蚀金属材料，浙江科学技术出版社，1981.8

5.     吴劍，不锈钢的腐蚀破坏与防蚀技术—点蝕的形成条件，形貌特征及其预防，机械部上海材料

研究所，腐蚀与防护，Vol.18 No.1，1998

6.     Charlie R.Brooks，Failure Analysis of Engineering Materials (M).McGraw-Hill

 Companies，Inc.2002

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　

　

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