船用SUS321管材失效模式影響分析

何國中，胡順克，鄧志強

(上海華潤大東船務工程有限公司，上海 202155)

船用SUS321管材失效模式影響分析

何國中，胡順克，鄧志強

(上海華潤大東船務工程有限公司，上海 202155)

船用SUS321不銹鋼材料非常普通，在船舶管路修造中應用廣泛。若該牌號材料在泵壓、調(diào)試過程中發(fā)生了開裂、爆管、泄漏等問題，則極易引起嚴重后果。文章對上海華潤大東船務工程有限公司承修某船舶液壓油路所使用的SUS321不銹鋼管材爆管腐蝕失效模式影響進行分析研究(FMEA)。論述了船用SUS321不銹鋼材料發(fā)生問題的原因，及在特定設計環(huán)境情況下是否產(chǎn)生質量問題。

船用SUS321不銹鋼材料；腐蝕失效；液壓油路；分析研究；環(huán)境影響

2007年，某船船東在上海華潤大東船務工程有限公司(以下簡稱華潤大東)修船期間，采購了D10×1船用321不銹鋼管約8 000 m用于船舶液壓油路，該種SUS321不銹鋼管在壓力調(diào)試過程中發(fā)生了開裂、爆管、泄漏等現(xiàn)象。經(jīng)對該批不銹鋼管進行檢測分析，力學性能試驗結果見表1，化學成分分析結果見表2。此外，對不銹鋼管按照GB/T 4334.5—2000《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》進行晶間腐蝕試驗，發(fā)現(xiàn)來樣發(fā)生嚴重晶間腐蝕。 一般情況下奧氏體不銹鋼具有較好的耐腐蝕性，該批不銹鋼管的質保書上表明其材料為SUS321不銹鋼，執(zhí)行標準為GB/T 14976—2002，SUS321為美國的一個不銹鋼牌號，從技術要求上看，它與我國標準中最接近的牌號為0Cr18Ni10Ti。對照標準，該批不銹鋼管材料的C、Ni和Ti都為不合格項，鑒于該批材料的使用環(huán)境比較惡劣，針對試驗室實際檢測的力學性能、化學成分、晶間腐蝕試驗結果，對該SUS321不銹鋼管材料進行不合格項以及腐蝕失效模式影響分析(FMEA)。

表1 力學性能測試結果

注1：SUS321不銹鋼標準值取自ASTM A276—2003《Standard Specification for Stainless Steel Bars and Shapes》；

注2：0Cr18Ni10Ti和1Cr18Ni9Ti標準值取自GB/T 14976—2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》。

表2 化學成分分析結果 %

注1：SUS321不銹鋼標準值取自ASTM A276—2003《Standard Specification for Stainless Steel Bars and Shapes》；

注2：0Cr18Ni10Ti和1Cr18Ni9Ti標準值取自GB/T 14976—2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》。

1 船用SUS321不銹鋼管可能的腐蝕失效模式及機理

用于海洋船舶的流體輸送用SUS321不銹鋼無縫鋼管可能產(chǎn)生的腐蝕失效模式有點蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕等。

1.1 點蝕

不銹鋼因表面生成鈍化膜而具有耐蝕性的金屬和合金，一旦由于某種原因表面膜被局部破壞而露出新鮮表面后，這部分金屬就會迅速溶解而發(fā)生局部腐蝕，這種在金屬表面產(chǎn)生小孔的腐蝕形態(tài)稱為點蝕。點蝕是不銹鋼常見的破壞性和隱患最大的腐蝕形態(tài)之一。

腐蝕機理：中性溶液中的離子(如Cl-)作用于表面鈍化膜，表面膜受破壞，因而發(fā)生點蝕。點蝕的擴展按下列反應進行：

陽極反應，M→M++e-；

陰極反應，O2+2H2O+4e-→4OH-。

隨著反應的進行，蝕孔內(nèi)的M+(金屬離子)增加，為保持電中性Cl-從外部移入，并生成鹽。該鹽水解后生成HCl，pH下降，在此情況下點蝕可以持續(xù)進行下去。點蝕的發(fā)生過程簡圖見圖1，點蝕的發(fā)生源是在非金屬夾雜物或晶界析出的碳化鉻等表面不均勻部分。

圖1 點蝕發(fā)生過程簡圖

影響因素：多數(shù)點蝕破壞是由氯化物和Cl-引起的，隨著溫度升高，點蝕趨于嚴重。常溫下Cl-濃度要在1 000 mg/kg以上才發(fā)生點蝕，而在80 ℃時、100 mg/kg的Cl-就足以發(fā)生點蝕。合金元素Cr、Mo、Ni、V、Si、Ag、Re等可抑制點蝕發(fā)生，C、Mn、S、Ti、Nb等可加速點蝕進程。

1.2 晶間腐蝕

晶間腐蝕是由晶界的雜質，或晶界區(qū)某一合金元素增多或減少而引起的晶界或其鄰近產(chǎn)生局部腐蝕，而晶粒腐蝕則相對很小。將奧氏體不銹鋼在500～800 ℃下加熱保溫，其晶界上就會有碳化物生成，與此相鄰部分的含鉻量就會減少，形成所謂的貧鉻區(qū)，變得敏化，也就是說變得容易發(fā)生晶間腐蝕。如果此時把它浸入酸性溶液中，貧鉻區(qū)的腐蝕顯著并產(chǎn)生晶粒脫落，發(fā)生晶間腐蝕。

腐蝕機理：晶間腐蝕的理論為貧鉻理論，普通的18-8不銹鋼一般含碳量0.06%～0.08%，因此有足夠的碳與鉻生成碳化物沉淀，見圖2，這樣鉻就從固溶體中分離了，結果使與晶界鄰近的金屬鉻含量降低。晶界的碳化鉻是不腐蝕的，鄰近晶界的貧鉻區(qū)由于對許多腐蝕環(huán)境的耐蝕性較差而發(fā)生腐蝕。

圖2 敏化的18-8不銹鋼的晶界示意圖

影響因素：降低不銹鋼中的含碳量，使總碳量被限制在奧氏體常溫溶解度以內(nèi)，使碳化鉻不被析出，也就不會引起晶間腐蝕，對于18-8不銹鋼，不發(fā)生晶間腐蝕的最大含碳量與含鉻量的關系公式為：

Cr-80×C≥16.8。

(1)

加入穩(wěn)定化元素Ti、Nb，使鋼中的碳與穩(wěn)定化元素完全結合成穩(wěn)定的碳化物，但要注意避免加鈦使鋼中出現(xiàn)大量的氮化鈦或氧化鈦，固溶處理使碳化物不析出或析出較少，也可以防治晶間腐蝕的發(fā)生。

應力腐蝕開裂(SCC)是金屬材料在應力和腐蝕介質協(xié)同作用下發(fā)生的破裂。應力腐蝕開裂是在環(huán)境、材料、應力這3個因素同時起作用時發(fā)生，如圖3所示。其特征為：一般拉應力下發(fā)生，而壓應力下不發(fā)生；發(fā)生開裂的環(huán)境和材料有特定的組合；開裂是電化學現(xiàn)象，發(fā)生在特定的較窄的電位區(qū)域；可以用陰極保護防止開裂。

圖3 構成應力腐蝕開裂的主要因素

腐蝕機理：耐蝕性優(yōu)異的材料一般在表面上生成鈍化膜，該膜在外因作用下受局部破壞，就成為點蝕或應力腐蝕的起源。奧氏體不銹鋼在含氯化物的環(huán)境中容易發(fā)生應力腐蝕開裂，SCC在點蝕電位下方的區(qū)域內(nèi)發(fā)生，SCC要從點蝕、縫隙腐蝕為起點，在蝕孔和縫隙內(nèi)，腐蝕通過氧濃差電池的作用進行，在此過程中內(nèi)部的溶解氧不斷消耗，促進金屬不斷溶出。由于生成的鹽水解，pH下降，陰離子由外部流入，產(chǎn)生濃縮，在這樣的環(huán)境中SCC發(fā)生和發(fā)展。

影響因素：一般濃度降低，SCC開裂的敏感性減??；溶解氧在低溫、低濃度的環(huán)境時表現(xiàn)顯著；pH值越低，開裂敏感性越大；溫度升高，開裂加快。應力腐蝕開裂是在材料受到拉應力情況下發(fā)生，與應力狀況關系很大。實際使用環(huán)境中的SCC多是由于焊接殘余應力、加工殘余應力的作用而產(chǎn)生。

2 船用SUS321不銹鋼管材料化學成分不合格項對腐蝕失效的影響

通過表2船用SUS321不銹鋼管的化學成分實測值與標準值相比較，可知該批SUS321不銹鋼管碳含量高于標準值，而鎳和鈦含量低于標準值。

2.1 碳對SUS321不銹鋼管腐蝕失效的影響

碳在奧氏體不銹鋼中是強烈形成并穩(wěn)定奧氏體且擴大奧氏體區(qū)的元素，碳形成奧氏體的能力約為鎳的30倍，但在奧氏體不銹鋼中，碳常被視為有害元素，這主要是由于在不銹鋼和耐蝕用途中的一些條件下(比如焊接或經(jīng)450～850 ℃加熱)，碳可與鋼中的鉻形成高鉻的Cr23C6型碳化合物，從而導致局部鉻的貧化，使鋼的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能下降。一些試驗還指出，碳還會增大奧氏體不銹鋼的點腐蝕傾向。

Cr23C6的鉻碳之比約為17∶1，假設該批SUS321不銹鋼中的碳全部與鉻結合成Cr23C6，則鋼中的鉻將下降為16.91-0.12×17=14.87。鉻含量的下降將使鋼的耐蝕性下降。

晶間腐蝕對碳含量更敏感，對于與SUS321不銹鋼化學成分相近的18-8不銹鋼，式(1)給出了不發(fā)生晶間腐蝕的最大含碳量與含鉻量的關系，由此可計算出該批SUS321不銹鋼管的關系：16.91-80×0.12=7.31<<16.8，因此，它發(fā)生晶間腐蝕概率較高。

2.2 鈦對SUS321不銹鋼管腐蝕失效的影響

不銹鋼中加鈦主要是為了使鋼中的碳與鈦結合成穩(wěn)定的碳化物TiC而不生成Cr23C6，從而防止晶間腐蝕。TiC中鈦碳之比為4∶1，為了使鋼中的碳與鈦完全結合成穩(wěn)定的碳化物TiC，對于SUS321不銹鋼的鈦碳之比應在7以上，而實測鈦含量僅為0.26，那么鈦碳比約為2.2，遠遠沒達到經(jīng)驗值7，因此起不到預防晶間腐蝕的作用。晶間腐蝕試驗報告也證明了現(xiàn)用的SUS321不銹鋼極容易發(fā)生晶間腐蝕。

2.3 鎳對SUS321不銹鋼管腐蝕失效的影響

鎳在奧氏體不銹鋼中的主要作用是形成奧氏體晶體結構，從而改善諸如可塑性、可焊接性和韌性等不銹鋼的屬性。然而，鎳并不是唯一具有此種性質的元素。常見的奧氏體形成元素有：鎳、碳、氮、錳、銅。奧氏體形成能力可用式(2)表示：

奧氏體形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%，

(2)

從式(2)可看出：碳形成奧氏體的能力是鎳的30倍，但它在加熱或焊接后它會造成敏化腐蝕和隨后的晶間腐蝕問題。氮元素形成奧氏體的能力也是鎳的30倍，但是它是氣體，只能在不銹鋼中添加數(shù)量有限的氮。美國ASTM A276標準中可加入少量的氮，其鈦含量為5(C+N)～0.70，因為鈦和氮也要結合生成TiN，TiN中鈦氮之比為3.5∶1，由于檢測數(shù)據(jù)中沒有氮含量，假設其氮含量為0，因其碳含量較高，因此，該批不銹鋼管的奧氏體組織仍可能較穩(wěn)定，其力學性能試驗結果間接地證實了這一點。

3 使用環(huán)境對SUS321不銹鋼管腐蝕失效的可能影響

GB/T 14976—2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》標準中規(guī)定，不銹鋼管應在下列試驗壓力下保持5 s以上，鋼管不得出現(xiàn)漏水或滲漏。

P=2δR/D，

(3)

式中：P為試驗壓力，8 MPa；δ為鋼管的公稱壁厚，mm；D為鋼管的公稱外徑，10 mm；R為允許應力，規(guī)定為抗拉強度的40%，MPa。

由式(3)可計算出在8 MPa壓力下，保證鋼管不爆管的最小壁厚為：

由此可知，如果該批不銹鋼管無缺陷，其均勻腐蝕減薄至壁厚0.2 mm時，才可能發(fā)生爆管。從文章第2部分“SUS321不銹鋼管可能的腐蝕失效模式及機理”中得知其失效模式有點蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕，因此對下列環(huán)境條件，可得出。

1)-10～50 ℃,潮濕，海風，露天的環(huán)境。在此環(huán)境中，現(xiàn)用的SUS321不銹鋼管可能發(fā)生Cl-點蝕，點蝕的發(fā)生源是在夾雜物或晶界析出的碳化鉻等表面不均勻部分。點蝕可以造成管子局部穿孔失效，還可以成為應力腐蝕開裂的起源，產(chǎn)生應力腐蝕開裂。

2)0～40 ℃，海水環(huán)境。在此環(huán)境中，現(xiàn)用的SUS321不銹鋼管可能發(fā)生Cl-點蝕，點蝕的發(fā)生源是在夾雜物或晶界析出的碳化鉻等表面不均勻部分。點蝕可以造成管子局部穿孔失效，還可以成為應力腐蝕開裂的起源，產(chǎn)生應力腐蝕開裂。

3)-10～50 ℃，潮濕的船艙環(huán)境。這里的潮濕如果是由于海水引起的潮濕同樣會出現(xiàn)1)、2)的腐蝕情況。如果僅僅是淡水引起的潮濕，且沒有其他腐蝕介質(酸、堿等)存在，在此環(huán)境中的現(xiàn)用的SUS321不銹鋼管如果沒有缺陷和外力作用，一般不會出現(xiàn)問題。

4)pH值為5～10的液體環(huán)境。這里的液體如果含有Cl-，將會出現(xiàn)1)、2)的腐蝕情況；pH值為5時會產(chǎn)生晶間腐蝕傾向，pH值為10時可能由于晶界貧鉻產(chǎn)生沿晶的SCC，由于介質不明無法準確判斷。

5)上述環(huán)境中1)、2)環(huán)境是對不銹鋼管比較敏感的環(huán)境，使用時存在危險。

4 結束語

綜上所述，該批SUS321不銹鋼在使用環(huán)境中存在較大的Cl-點蝕的危險性，點蝕可以造成管子局部穿孔失效；一旦發(fā)生點蝕后就可以成為應力腐蝕開裂的起源，在材料殘余應力作用下產(chǎn)生沿晶應力腐蝕開裂。

創(chuàng)建軍民融合、技術領先、

產(chǎn)融一體的創(chuàng)新型企業(yè)集團

Marine stainless steel SUS321 is a kind of popular material， it's widely used in the ship building and repairing field.If this material is processed in the cracking,detonation tube,leakage and other issues in pressurizing adjustment,it will cause serious consequences.Failure Mode and Effects Analysis(FMEA)to burst and corrosion of SUS321 stainless steel pipe of hydraulic circuit in a ship is introduced,which was repaired in SHANGHAI HUARUN DADONG DOCKYARD Co.,Ltd. before.Reasons for the mentioned problems of the SUS 321 stainless steel materials are discussed and the quality problems in the designed circumstance are concerned.

marine stainless steel SUS321;corrosion failure;hydraulic circuit;analysis and research;environmental impact

何國中(1969-)，男，上海人，工程師，大學本科，主要從事船舶生產(chǎn)、質量、技術管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.010

2016-04-19