1Cr20Nil4Si2钢输油管的应力腐蚀破裂失效分析
摘 要：针对输油管产生的应力腐蚀裂纹，用光学显微镜观察其显微组织，并用直读光谱仪和投射电子显微镜对材料的成分和裂纹尖端处的腐蚀产物进行了分析，证实了产生应力腐蚀裂纹的原因。并用低碳含Mo的不锈钢提高使用寿命，经2a多的运行得到了较好的效果。
关键词：输油管；奥氏体不锈钢；应力腐蚀破裂
1 引 言
某企业两个储油罐之间的输油管为双层结构，长约1.4m，里管外径约φ20mm，壁厚5mm；外管直径φ80mm。两端由法兰与容器连接，中间用油保温。里管材质为lCr20Ni14Si2无缝奥氏体不锈钢。经la多的运行在里管壁上出现了贯穿性的腐蚀裂纹，使容器不能正常工作。
经对现场工作条件的调查发现里管内表面长期在600―700℃下工作，里管外表面在200―300℃保温油下服役。该管是间歇式工作，停工时管道冷却到室温。由于内管是封闭结构，所以长期无法进行擦洗和检修。
2 理化检测结果与分析
2.1 腐蚀产物分析
用机械法切割取样发现在里管的内壁有黑色油污，裂纹周围存在点蚀坑，裂纹由点蚀坑穿透，裂纹处有腐蚀介质存在。用H-800型透射电子显微镜(TEM)、TV9900能谱仪(EDS)对裂纹尖端处的腐蚀产物进行分析(见图1略)，发现腐蚀产物中含有氯、硫等。
2.2 成分分析
用DV-2型直读光谱仪对试样主要成分进行了分析。表l表明其成分符合GB
4238―92中1Cr20Nil4Si2钢的要求。
1Cr20Nil4Si2钢化学成分（质量分数，%）
| 元素 | C | Cr | Ni | Si |
| 试样 | 0.09 | 19.6 | 14.2 | 2.1 |
| GB 4238-92 | ≤0.12 | 19.0―22.0 | 12.0―15.0 | 1.50―2.50 |
2.3 金相分析
在不同的裂纹部位取多块试样，经磨制抛光后不浸蚀用光学显微镜观察发现裂纹呈树根形状(图2)。试样抛光后经电解腐蚀，其裂纹形貌见（图2）。试样抛光后经电解腐蚀，其裂纹形貌见图3。因裂纹主要是沿晶+穿晶的混合型开裂，所以其产生裂纹的主要原因是应力和腐蚀介质的共同作用。
3 腐蚀裂纹产生的原因分析
3.1 热应力的作用
由奥氏体不锈钢的物理性能可知，其导热系数是低碳钢的1/3，线胀系数是低碳钢的1.5倍，易形成较大的热应力。里管内壁和外壁长期在300―400℃温差状态下加热，和停工时冷至室温的温度梯度，使管子在冷热交变条件下使用造成热应力，从而促使腐蚀裂纹发展。
3.2 腐蚀介质的作用
造成Cr-Ni奥氏体钢应力腐蚀裂纹的原因是C1-离子的吸附和浓缩，这与对裂纹尖端处的腐蚀介质EDS检测的结果相吻合。文献[1]表明影响铬镍奥氏体不锈钢应力腐蚀裂纹最重要的是C1-浓度和含氧量，C1-的浓度越高钢的破裂时间越短。在输油管应力腐蚀裂纹的部位，存有腐蚀介质随着工作时间的增长C1-的浓度会不断增加。奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹的临界C1-的浓度是随钢种、含氧量、介质温度等的不同而不同。
石油中的腐蚀介质主要有硫化物、氯化物和水等杂质，这些杂质在高温作用时分解成分子和离子。如果硫以(Cr，Ni，Mn)S形式沉积在基体上或基体上存在硫化物夹杂，就会使点蚀加剧。此外，输油管中的氧来源于介质中的杂质受热后分解和间歇工作带入的空气中的氧，当含氧量和C1-的浓度在适当的范围时，促使了输油管的腐蚀加剧。不锈钢产生应力腐蚀裂纹存在一个温度范围。文献[2]表明温度越高，产生应力腐蚀裂纹的倾向越高。我们认为，可能是由于随着温度的升高，钢表面氧化膜的致密程度降低所致。输油管的工作温度在600―700℃，C1-较易通过高温下的金属表面膜深入到基体。
3.3 钢中Si元素的影响
在Cr-Ni奥氏体钢中加入Si的目的是在钢表面形成致密的富Cr和Si的钝化膜，来提高钢的抗氧化性及在氧化性介质中的耐蚀性。据资料介绍，Cr-Ni奥氏体钢中加入Si，在42％MgCl2溶液中可提高抗应力腐蚀开裂的能力。但是1Cr20Ni4Si2钢输油管造成应力腐蚀裂纹的原因，可能是随着温度的提高，钝化膜的致密程度下降和交变加热冷却对
保护膜与基体金属结合力的破坏作用有关。C1-通过疏松的钝化膜吸附到金属表面，而对金属进行腐蚀。从而说明，在含氯化物的介质中在交变的高温下采用含Si的Cr-Ni奥氏体钢并不理想。
4 改进措施和应用效果
(1)为了提高在高温氯化物介质中的使用寿命，选用含钼的高铬镍不锈钢是有利的[3]，所以选择00Crl9Nil3Mo3超低碳含钼的不锈钢。
(2)在制成输油管前，对管子进行喷丸处理，使管子表面形成预压应力。
(3)使输油管由过去固定式的改成可拆卸的结构，以便定期清洗维修。
(4)用00Crl9Nil3Mo3钢制作里管，在相同工作条件下经2a多的运行使用，拆卸维护时在内外表面未见明显的腐蚀坑，现仍在继续使用。
5 结 论
(1)1Cr20Nil4Si2奥氏体不锈钢管，在交变高温含氯的介质中工作，对氧化膜有破坏作用，易产生应力腐蚀破裂。
（2）00Crl9Nil3Mo3不锈钢管，通过喷丸处理的预压力和改成可拆卸结构对输油管进行定期清洗等工艺措施，提高了使用寿命。
参考文献：
[1]：张其枢，堵耀庭，不锈钢焊接[M].北京：机械工业出版社，2000，86.
[2]：张文钺，等，焊接工艺与失效分析[M].北京：机械工业出版社，1989，179―180.
[3]：张其枢，堵耀庭，不锈钢焊接[M].北京：机械工业出版社，2000，45.
