案例分享：316L不锈钢盘管的泄漏失效分析

作者：方学锋，梁斌，业成，张伯君，于永亮

单位：南京市锅炉压力容器检验研究院

来源：《金属加工（热加工）》杂志

316L属于奥氏体不锈钢，对应国内牌号为022Cr17Ni12Mo2，具有良好的塑性和耐蚀性，该不锈钢中添加的Mo元素极大地提高了其抗点蚀能力。因此，316L不锈钢被广泛应用于石化、医药等行业。某企业使用的316L不锈钢盘管在使用过程中发现管壁泄漏穿孔现象。管内工作介质为水蒸汽，工作压力0.9MPa，管外介质为强碱、铜粉，工作压力1.0MPa，内外壁存在压力差。笔者对其失效原因进行了试验分析和研究。

1  宏观分析

1.1 目视检查

从外部宏观目视检查发现，泄漏孔在外壁显示为一个直径约2mm的小孔，如图1a所示。在内壁显示为4个直径约为1mm的纵向排列小孔，并可见大量“翘皮”状裂纹，如图1b所示。

图1 泄漏孔宏观形貌

1.2 放大宏观检查

采用变倍体视显微镜观察，图2a为内壁泄漏孔放大40倍后的宏观照片；图2b为剖开后的泄漏孔形貌，孔内空间比较大，总体积约4mm³，孔壁起伏不平、不规则。

图2 泄漏孔形貌

2  检测分析

2.1 光谱化学成分分析

对泄漏孔周边取样用全谱直读光谱仪进行化学成分分析，结果（平均值）见表1，与ASME SA213中TP316L材料成分比较，符合标准要求。

表1 化学成分（质量分数）分析结果  （%）

2.2 拉伸试验

采用电子万能试验机，在盘管上取样进行拉伸试验，结果见表2。试样断口形貌为塑性断裂。通过对比可知，材料的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均符合ASME SA213标准。

表2 力学性能检测结果

2.3 工艺性能试验

采用电子万能试验机进行扩口、压扁试验，结果见表3，试验后扩口试样形貌如图3所示，管内壁无裂纹。压扁试样形貌如图4所示，压扁试样外壁拉伸面产生裂纹，裂纹开口端外壁位置为陈旧断口，裂纹尖端为新断口，可见管外壁存在旧裂纹。

表3 工艺性能试验结果

图3 扩口试样

图4 压扁试样拉伸面裂纹

2.4 显微金相分析

在盘管内外壁及内部加工显微金相试样，试样横截面经磨制、抛光，用金相显微镜放大后观察。从图5a可见，盘管内壁上存在“翘皮”状裂纹，在“翘皮”底部还存在微裂纹；从图5b可以看出，外壁上存在大量微裂纹，在缺陷或腐蚀坑处萌生，沿夹杂物扩张；从图5c可见，内部存在大量粒状、条状、块状夹杂物，夹杂物尺寸为5 ~ 25μm。

图5 盘管材料不同区域图

经腐蚀后的试样，金相显微镜观察组织为奥氏体，平均晶粒度为6.5级，并发现在晶界上有析出相，如图6a所示。从图6b可见，内壁存在大量变形滑移线，说明存在残余应力；从图6c可见，外壁存在上存在穿晶型及沿晶型裂纹。

图6 金相图

2.5 扫描电镜分析

对裂纹断口处采用扫描电镜观察，图7a为陈旧断口，从图7b泄漏孔内壁形貌可以看出，表面上均存在“泥纹花样”腐蚀产物。

图7 失效部位扫描电镜形貌

2.6 能谱分析

对图7a陈旧断口取样进行能谱分析，如图8所示，结果见表4，腐蚀产物较为复杂，主要成分为氧化物，还夹杂有Cu、Na等。

表4  能谱分析结果（质量分数）  （%）

图8 分析点能谱图

3  综合分析

综合以上试验数据，盘管TP316L不锈钢的化学成分、抗拉强度、屈服强度和断后伸长率都满足ASME SA213标准要求。扩口试验合格，压扁试验管外壁拉伸面出现裂纹，开口端为陈旧裂纹。金相显微分析、SEM+EDS表明，组织为奥氏体不锈钢，但存在大小不等的颗粒状夹杂物，表面有“泥纹花样”腐蚀产物，尤其是泄漏孔处。孔壁起伏不规则，在“翘皮”处存在大量微裂纹，并沿夹杂物扩张。

4  结论与建议

316L不锈钢盘管泄漏的主要原因是材料中存在大量夹杂物、氧化物腐蚀产物、微裂纹等。基体连续性因夹杂物的存在而遭到破坏，在残余应力、内外壁压力差等共同作用下，夹杂物处很容易产生裂纹并扩展，而夹杂物与高温水蒸汽介质接触，由于夹杂物的耐蚀性远低于材料本身，因此夹杂物被腐蚀，最终管壁内部形成孔洞，导致管壁穿孔，发生泄漏。为避免发生类似泄漏失效，建议如下：

1）对于该盘管的服役环境，应选用夹杂物少的高质量316L不锈钢材料。

2）控制工作介质纯度，尽可能避免腐蚀性物质对管子的影响。

3）盘管构件在弯曲、焊接后进行热处理，以有效释放残余应力。

参考文献：略。

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