不锈钢油管泄漏分析

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摘要：某电厂汽轮机不锈钢油管在使用过程中，油管泄漏，进而引发着火，直接威胁到电厂的安全生产。经过宏观检查、表面着色探伤检验、材料化学成分分析、腐蚀处剖面金相分析以及腐蚀坑能谱分析，得出不锈钢油管中裂纹是在含氯离子介质环境下形成的应力腐蚀裂纹。因此管外部具有潮湿和含氯的环境是导致裂纹产生的重要原因。所分析裂纹是由钢管的外表面向内扩展的，裂纹形状为树枝状，且为穿晶走向，该形态是发生应力腐蚀开裂的裂纹典型特征。不锈钢油管在使用过程中，内外温差比较大，油管受热不均匀而存在着温度差异，各处膨胀变形或收缩变形不一致，相互约束而产生内应力。因此，该裂纹属应力条件下的应力腐蚀开裂。此外，不锈钢油管的防护工作也非常重要，尤其是防止不锈钢被雨水淋湿。

关键词：不锈钢；油管；能谱分析；应力腐蚀裂纹

Abstract: Turbine stainless steel tubing during use, tubing leak, causing the fire, a direct threat to the safe production of the power plant. Through macroscopic examination, coloring surface inspection, material chemical composition analysis, metallography analysis and corrosion at the profile of corrosion pit energy spectrum analysis, obtains the stainless steel tubing crack is in chloride medium formed under the environment of stress corrosion crack. Therefore, the exterior of the tube has a humid and chlorine environment is the important cause resulting in crack. The analysis of crack is made from steel tube on the outer surface of the inner expansion, crack shape of dendrimers, and transgranular trend, this is a form of stress corrosion cracking of crack characteristic. Stainless steel tubing for use in the process, large temperature difference between inside and outside, the tubing is not uniformly heated and there is a temperature difference expansion or contraction, all inconsistent deformation, mutual restraint stress. Therefore, the crack is a stress under conditions of stress corrosion cracking. In addition, stainless steel pipe protection work is also very important, especially to prevent stainless steel wet with rain.

Key words: stainless steel; tubing; spectrum analysis; stress corrosion cracking

中图分类号：TU文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）01-0020-02

绪论

汽轮机是火力发电厂的三大设备之一，属于涉及生命安全、危险性较大的设备，是国民经济和人民生活的重要基础设施。我国是一个以常规能源火力发电为主的国家，到去年为止，火力发电仍占全部发电量的75％。而电厂汽轮机不锈钢油管泄漏问题是汽轮机安全运行的“杀手”，会引起汽轮机组的被迫停运，造成突发性、局域性停电，危害电网，造成重大的经济损失。

本课题针对泄漏的不锈钢油管进行分析，找出可能产生泄漏的原因，防止事故的再次发生,保障发电厂设备的长期安全运行，减少汽轮机停机事故对国民经济发展和人民生活质量的影响，社会效益是巨大的。

一、概况

不锈钢（Stainless Steel）指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。不锈钢基本合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求。不锈钢容易被氯离子腐蚀，因为铬、镍、氯是同位原素，同位原素会进行互换同化从而形成不锈钢的腐蚀。从工程来看,不锈钢不是在任何情况下都具有较好的耐蚀性,在一定条件下可能出现点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀等现象。

2007年6月，内蒙古某电厂4号机组的汽轮机不锈钢油管发生泄漏，引起着火，严重危及安全生产。汽轮机不锈钢油管规格为Φ20 x 2.5mm，材质为0Cr18Ni9。

二、试验方法

1、宏观检查

对4号机组的泄漏油管和3号机组的正常油管进行外观检查，泄漏不锈钢油管外表面局部产生大量腐蚀麻点，而正常油管外表面光亮如新（如图 1），注：泄漏油管编号为1#，正常油管编号为2#。对1#油管的腐蚀麻点处进行着色探伤处理，红色的渗透剂渗入不锈钢油管表面（如图2），说明不锈钢油管表面存在开口性缺陷。

图1泄漏油管与正常油管对比

图2泄漏油管着色处理

2、化学分析

对1＃油管和2＃油管分别进行化学成分分析，结果见表1，表中同时给出0Cr18Ni9的材料化学成分规范，结果显示1＃油管材料成分符合规范要求，2＃油管材料成分在规范要求的基础上加入了Cu元素。

表1 试样分析结果和0Cr18Ni9的成分规范对照(w/%)

通过化学分析可以看出，1#不锈钢油管中不含有Cu元素, 2#不锈钢油管中含有Cu元素。Cu在奥氏体不锈钢中具有较大的固溶度，因此能明显提高奥氏体的稳定性和抗蚀性。

3、金相分析

在1＃管子腐蚀处A区域截取一块试样（如图3），经过机械抛光，用三氯化铁盐酸水溶液浸蚀后，从剖面观察腐蚀坑的形貌（如图4）。

图3

图4应力腐蚀裂纹

图5 奥氏体组织100x

从剖面观察裂纹形貌，裂纹由外表面向内扩展，裂纹扩展过程中不断分叉，形成树枝状，且裂纹为穿晶走向。从裂纹的形态看出，裂纹具有树枝状分叉和穿晶走向的形态，是发生应力腐蚀开裂的裂纹典型特征。

从组织上看（如图5），材料金相组织为等轴状孪晶奥氏体，晶粒度为5～7级，组织基本均匀。高倍下在晶界上也没有发现有沿晶界析出碳化物，也没有发现有晶间腐蚀，说明材料没有出现晶界敏化组织。

4、能谱分析

在1＃管子上选取B区域打能谱（如图3），分别选取在腐蚀坑处（如图6）和未腐蚀处(如图7)，如图6、图7，得出的结果如表2。

图6 腐蚀坑

图7未腐蚀表面

表2 能谱分析结果（重量％）

通过能谱分析发现腐蚀坑处有高含量的Cl元素，以及多种元素的聚集，说明氯导致不锈钢表面出现点蚀并且点蚀坑成为其它元素聚集的区域，新生成的物质进一步破坏不锈钢表面的完整性。

三、分析原因

通过上述宏观和微观试验数据，在不锈钢腐蚀坑处含有大量的氯离子，钢管在含氯离子介质环境条件下，表面首先形成腐蚀坑，进而在应力的作用下形成应力腐蚀裂纹。不锈钢可能发生应力腐蚀开裂的环境体系可能有：酸性氯化物溶液，如：MgCl2，NaCl溶液，雨水、海水、蒸汽、海洋大气；氢氧化物，如：NaOH，KOH水溶液；酸洗液，如：HCl＋HNO3+HF水溶液。

对不锈钢油管表面的氯离子来源做如下分析，首先，从外界环境分析，内蒙古地处内陆，远离海洋，大气干燥，不锈钢表面不会从空气中获取氯离子。而氯离子可能来源于酸洗残留物。当奥氏体不锈钢在经过固溶处理后，表面会形成氧化膜，为了去除不锈钢经高温作业产生的氧化膜,露出不锈钢原始表面，需要采用酸洗的办法将其去除。当用含氯离子的溶液酸洗后,氯离子易被不锈钢表面吸附,尤其是夹杂、发纹等表面缺陷处,氯离子吸附在不锈钢表面使不锈钢易受腐蚀。

其次，从电厂了解到，泄漏的不锈钢油管在运输和保存过程中，曾被雨水淋湿。据相关资料显示，雨水中主要包含的阴阳离子有：Cl-、NO3-、SO42-、Na+、Mg2+、Ca2+及NH4+。雨水中的Cl- 首先被吸附在金属表面某些点上，从而使不锈钢表面钝化膜发生破坏。由于钝化膜破坏处的基体金属显露出来使其成活化状态，而钝化膜处为钝态，这样就形成了活性―钝性腐蚀电池。由于阳极面积比阴极面积小的多，阳极电流密度大，所以阳极金属很快腐蚀成小孔，而后在应力的作用下产生微观裂纹。

影响应力腐蚀的主要因素是氯离子浓度、介质温度、工作应力。从能谱分析中可以看出，腐蚀坑处含有一定量的氯离子，氯离子浓度是影响应力腐蚀的因素。一般来说,随氯化物浓度的增加,Cr - Ni 不锈钢的应力腐蚀开裂加快。腐蚀坑中的腐蚀产物不仅有氯离子，还有镁离子，特别是MgCl2 最易引起应力腐蚀破裂。

不锈钢油管在使用过程中，由于内外温差比较大，油管受热不均匀而存在着温度差异,各处膨胀变形或收缩变形不一致,相互约束而产生的内应力。从裂纹的形态来看，裂纹与管子的轴线成一定角度的方向穿透管壁，且为穿晶裂纹，表明钢管除了受到内压造成的环向应力作用外，很大程度上还受到管子轴向拉力和径向扭力的作用，属复杂应力条件下的应力腐蚀开裂。

综合以上试验结果和分析，得出如下结论：

（1）不锈钢油管化学成分和金相组织分析，未见异常。基体组织为等轴状孪晶奥氏体，晶粒度5~7级，固溶处理状态良好。

（2）裂纹形态和能谱分析表明，钢管中裂纹是含氯离子介质环境下形成的应力腐蚀裂纹。所分析裂纹是由钢管外表面向内扩展，因此管外部具有含氯环境是导致不锈钢油管腐蚀和产生裂纹的主要原因。从裂纹的走向看，裂纹还受到较大的复杂应力作用。

（3）从分析结果看，雨水可能是氯的主要来源，因此，不锈钢油管在运输与储存的过程中，应加强防护工作。

参考文献：

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