波紋管補償器開裂原因分析

李明，李金紅，馬宇，劉月

錦州捷通鐵路機械股份有限公司 遼寧錦州 121116

1 序言

波紋管補償器具有緩沖管路發(fā)生熱脹冷縮變形的功能，是熱力管網(wǎng)常用的零部件[1]。某熱電廠不銹鋼波紋管使用3年后發(fā)生開裂，波紋管材質(zhì)為S30408奧氏體不銹鋼，由5層1mm厚不銹鋼薄板經(jīng)冷擠壓成形。波紋管在沿海地區(qū)使用并埋于地下，外表面直接與地下土壤和水分接觸，波紋管內(nèi)流體介質(zhì)為80～90℃的除鹽軟化水，其內(nèi)部工作壓力約為1.6MPa。發(fā)生泄漏的波紋管從地下取出，其整體外觀形貌如圖1所示，表面布滿泥漬并有裂紋和起皮現(xiàn)象。為查明開裂原因并提出改善措施，本文對開裂波紋管進行失效分析。

圖1 波紋管整體外觀形貌

2 試驗材料及方法

開裂波紋管體積較大，將其開裂部位進行火焰切割，對切割部位采用目視方法進行宏觀分析。遠離火焰切割位置，在開裂波紋管最外層腐蝕輕微處人工掰開，取斷口試樣如圖2所示，采用Sigma300型掃描電鏡和X-maxn型能譜儀進行斷口微觀觀察和腐蝕產(chǎn)物的能譜分析。沿圖2直線處線切割取樣，并采用環(huán)氧樹脂冷鑲嵌的方法制備金相試樣，用Axio Observer型光學金相顯微鏡觀察拋光態(tài)裂紋形貌和腐蝕態(tài)下的裂紋擴展路徑以及金相組織。取波紋管外壁未受到腐蝕的部位，將曲面壓平，用磨樣機打磨掉約0.5mm，采用火花直讀光譜儀檢測化學 成分。

圖2 波紋管斷口試樣

3 試驗過程和結(jié)果

3.1 宏觀分析

波紋管裂紋宏觀形貌如圖3所示。由圖3a可見，波紋管外表面銹蝕嚴重，裂紋垂直于波紋，沿波紋管軸向擴展。裂紋擴展路徑曲折，并存在多處分叉現(xiàn)象。裂紋較細，擴展路徑長，具有強烈的方向性。開裂處無宏觀塑性變形，屬于脆性開裂。波紋管內(nèi)壁銹蝕輕微，僅在開裂處存在部分銹蝕（見圖3b箭頭處），大部分區(qū)域覆蓋有介質(zhì)沉積物，未被覆蓋區(qū)域露出具有金屬光澤的不銹鋼鈍化層。波紋管截面如圖3c所示，可見波紋管是由5層鋼板擠壓成形，靠近外壁的3層鋼板已經(jīng)開裂且最外層銹蝕嚴重，壁厚減薄。

圖3 波紋管裂紋宏觀形貌

通過宏觀分析可以判斷波紋管開裂是從外壁開始的，隨著外部腐蝕性介質(zhì)的入侵，中間層開始開裂，最后是內(nèi)層開裂。

3.2 掃描電鏡與能譜分析

將圖2中的開裂斷口用超聲波酒精溶液清洗后置于掃描電鏡中觀察斷口形貌。在開裂斷口腐蝕輕微處，可觀察到河流花樣和解理臺階并且存在二次裂紋，這表明波紋管為穿晶開裂，如圖4a所示。斷口腐蝕嚴重區(qū)域被厚厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，已分辨不出斷口形貌，但可觀察到腐蝕產(chǎn)物干燥龜裂后的泥紋狀花樣[2]，如圖4b所示。

對開裂波紋管外壁表面形貌進行觀察，可見分布無規(guī)律、大小不等的點蝕坑，蝕坑表面同樣覆蓋著泥紋狀腐蝕產(chǎn)物，如圖4c所示。波紋管表面也存在未被點蝕的區(qū)域，如圖4d所示，這符合點蝕分布無規(guī)律的特點。

圖4 波紋管斷口及表面微觀形貌

對波紋管斷口腐蝕嚴重區(qū)域采用能譜儀進行元素微區(qū)成分分析，能譜分析位置及譜線圖如圖5所示。能譜分析結(jié)果表明：腐蝕產(chǎn)物中含有異于奧氏體不銹鋼基體的Cl、Na、O、Ca、Mg、Al等元素，具體含量見表1。

圖5 能譜分析位置及譜線圖

表1 斷口腐蝕產(chǎn)物元素微區(qū)分析（質(zhì)量分數(shù)） （%）

3.3 金相分析

拋光態(tài)下用光學金相顯微鏡觀察裂紋形貌，可見裂紋起源于波紋管外壁點蝕坑處，一個點蝕坑處有多條裂紋，向壁厚處垂直擴展，也有與壁厚呈45°方向擴展，個別裂紋已貫穿管壁，如圖6a所示。裂紋擴展路徑曲折，存在樹枝狀分布的二次裂紋，如圖6b所示。

腐蝕態(tài)下可觀察到裂紋穿晶擴展，與掃描電鏡下的解理斷口相吻合，如圖6c所示。波紋管金相組織為7級晶粒度的單相奧氏體，存在孿晶，并且存在少量因冷加工變形造成的晶內(nèi)滑移線，如圖6d所示。通過裂紋形貌可以看出，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖6 裂紋及顯微組織形貌

3.4 化學成分檢測

波紋管材質(zhì)為S30408奧氏體不銹鋼，其化學成分滿足GB/T 3280—2015《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》技術(shù)要求，其檢測結(jié)果見表2。

表2 波紋管化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

4 分析與討論

開裂波紋管的化學成分滿足S30408奧氏體不銹鋼的技術(shù)要求。宏觀分析表明，開裂是從波紋管外壁表面向內(nèi)部逐層擴展的。斷口微觀形貌與裂紋的金相分析表明，波紋管失效模式為典型的奧氏體不銹鋼穿晶型的應(yīng)力腐蝕開裂。

能譜檢測出腐蝕產(chǎn)物中含有0.34%Cl、0.50%Na，這是由于波紋管直接埋于沿海地區(qū)地下，其外表面直接與土壤和地下水接觸，環(huán)境含氧潮濕。而該地區(qū)土壤中具備NaCl存在的條件，這為波紋管應(yīng)力腐蝕開裂提供了含Cl-的腐蝕環(huán)境。

波紋管金相組織中含有晶內(nèi)滑移線，這就造成材料自身因冷加工成形而存在的殘余應(yīng)力。管內(nèi)通有80℃左右的水，會因溫度梯度產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，同時也是容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度。管內(nèi)水壓為1.6MPa，會對波紋管內(nèi)外壁產(chǎn)生工作拉應(yīng)力[3]。波紋管外表面分散分布著大量的點蝕坑，應(yīng)力腐蝕裂紋起源于此。材料殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力、工作拉應(yīng)力以及腐蝕產(chǎn)物的楔入應(yīng)力在點蝕坑處造成應(yīng)力集中，這就為波紋管應(yīng)力腐蝕開裂提供了拉應(yīng)力條件。

奧氏體不銹鋼具備較好的耐蝕能力，但Cl-對其具有較強的腐蝕作用。鈍化膜破壞理論認為Cl-半徑小，當其吸附在鈍化膜上后，可穿過鈍化膜進入膜內(nèi)，使膜內(nèi)形成感應(yīng)離子導(dǎo)電，在膜的一些特定點上維持較高電流密度，使Fe2+、Cr3+、Ni2+雜亂移動，當膜-溶液界面的電場強度達到臨界值時便會形成點蝕。波紋管復(fù)合拉應(yīng)力在點蝕坑處應(yīng)力集中，進一步促使鈍化膜的破裂，漏出活化金屬表面，F(xiàn)e原子失去電子發(fā)生Fe→Fe2++2e反應(yīng)。金屬離子濃度升高后水解生成H+，發(fā)生Fe2++2H2O→Fe（OH）2+2H+反應(yīng)，使應(yīng)力腐蝕裂紋尖端pH值下降，形成強酸溶液區(qū)。為保持電中性Cl-向裂紋尖端遷移，形成維持活性態(tài)的FeCl3濃溶液，形成小陽極、大陰極的電池，將加速金屬溶解。金屬表面同時也在不斷地形成新膜，但由于局部活化金屬的高速溶解，便會形成微觀小缺口，造成局部應(yīng)力集中和應(yīng)變集中，在復(fù)合拉應(yīng)力作用下再次開裂[4]。此過程是連續(xù)重復(fù)進行的，最終導(dǎo)致波紋管應(yīng)力腐蝕開裂。

沿海地區(qū)土壤中Cl-含量較高，S30408奧氏體不銹鋼波紋管使用壽命是有限的。通過波紋管開裂失效分析，可從應(yīng)力、材料、環(huán)境三個角度加以改善，提出相應(yīng)的預(yù)防措施，降低應(yīng)力腐蝕發(fā)生的周期，延長波紋管使用壽命。

1）在波紋管冷加工成形后增加一道去應(yīng)力退火（250～350℃），消除材料組織中的殘余應(yīng)力[5]。

2）為適應(yīng)沿海地區(qū)含Cl-的環(huán)境，可選用對應(yīng)力腐蝕具有一定抗力的雙相不銹鋼材料。

3）波紋管安裝在地下時可砌筑防水隔離帶，避免管壁與含腐蝕性陰離子的土壤直接接觸，也可以采取陰極保護的方式來降低波紋管應(yīng)力腐蝕開裂的風險。

5 結(jié)束語

1）波紋管補償器的失效性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂。

2）波紋管服役環(huán)境中的腐蝕性Cl-、材料自身的殘余應(yīng)力、工作拉應(yīng)力、熱應(yīng)力以及腐蝕產(chǎn)物的楔入應(yīng)力，是造成應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

3）可通過對材料退火、選用抗應(yīng)力腐蝕破壞的雙相不銹鋼材料、修筑防水隔離帶以及材料陰極保護等方式來降低波紋管應(yīng)力腐蝕開裂。