氢气输送用304不锈钢管开裂原因分析

氢气是一种高危险气体，不仅具有很强的易燃易爆性，还具有一定的毒性，因此氢气输送的安全问题一直备受关注。氢气管道与其他管道平行敷设时，一般布置在外侧并在上层:架空敷设时，与其他热力管道的净距应不小于250 mm。由于氢气具有着火能量低，与空气、氧混合燃烧和爆炸极限宽，燃烧速度快等特点，所以氢气在生产和使用过程中的燃烧、爆炸问题应特别注意，一旦发生泄漏或起火，造成的后果及损失将无法估量。

文中涉及的氢气管道材质为常用304不锈钢管，对其开裂原因进行详细分析，可为同类型管道的失效提供参考，并在以后使用过程中预防此类事故发生，具有重要意义。

1试验

所涉及的氢气输送管道于1998年投用，架空铺设，外有防腐层，无保温，管道尺寸 219 mm x 8 mm,管材为304不锈钢管，管内介质为加氢原料气主要为氢气，设计压力4.8 MPa,操作压力3.2 MPa，设计温度50℃，操作温度为常温,操作工况稳定，未有明显压力、温度波动。2015年全面检验中发现，该管道多处部位存在裂纹，文中分别截取存在裂纹的直管、三通、弯头部位进行开裂分析浙江不锈钢管。

通过宏观检查，分析管道整体情况。通过金相分析，判断管道微观组织是否异常;采用扫描电子显微镜和电子能谱仪，分析裂纹情况及腐蚀产物成分:通过力学性能测试（拉伸试验与硬度测试)，判断管通机械性能是否劣化。

2结果与分析

2.1管道的宏观整体情况

对试样进行宏观检查，可见防腐层整体完好，部分区域有破损，将防腐层打磨掉后，未发现宏观裂纹，如图1所示;此外，管壁没有明显的腐蚀减薄及变形现象。纵向切开管道后，发现管内壁附着黑色腐蚀产物，呈块状分布，说明输送的氢气中存在腐蚀性介质。

2.2金相组织

切取304不锈钢管、三通管、弯管试样分别进行金相组织观察。试样经打磨、抛光后，用4%洒精溶液浸蚀，金相微观组织见图2-4金相组织观察参照GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》。

由图2可见，304不锈钢管管壁基体主要为共析的铁素体和珠光体组织，灰色基体为铁素体等轴品，黑色块状为片状珠光体，组织分布均匀而细小，是304不锈钢正常的余相微观组织。

由图3可见，焊缝附近区域品粒粗大，组织不均匀，热影响区有板条状马氏体生成，黑色珠光体呈带状分布，有聚集现象，灰色铁素体呈均匀分布。

由图4可见，靠近焊缝区域，黑色珠光体含量逐渐增加，且晶粒变大，大晶粒处的强度和硬度往往低于小品粒处。同时，焊缝附近出现条状马氏体组织。马氏体组织硬度大，韧性差，易成为缺陷发生区域。

己有研究表明，显微组织对应力腐蚀开裂敏感性按以下顺序升高:铁素体中球状碳化物组织<完全淬火和回火组织<正火和回火组织<正火后组织<淬火后未回火的马氏体组织。在上述金相组织分析中，三通及弯管处的焊缝附近区出现马氏体组织，容易诱发硫化物应力腐蚀开裂。

2.3力学性能

2.3.1拉伸试验

在304不锈钢管和三通管不同位置截取一共12个拉伸试样，进行力学性能测试。拉伸试验依据的测试标准为GB/T228. 1-2010《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》。图5为其中3个拉伸试样试验前的宏观形貌，拉伸试验结果一与标准值对比见表1。

图6是拉伸试样断裂后断口的宏观形貌。图6a,b试样的断日颈缩不明显，图6a试样的断日出现了裂纹分义，图6b试样的断面平齐，没有出现斜45°断面，两者呈现脆性断裂，说明这两个拉伸试样内部存在微裂纹。图6c试样断裂后出现颈缩，中间的纤维区而积较大。根据表1的结果，管壁整体力学性能符合标准，说明304不锈钢管未发生材质劣化。

2.3.2硬度

分别对304不锈钢管、三通管、弯管进行硬度测试，测试部位包含焊接热影响区与毋材区，图7是部分试样的形貌，测试结果见表2。根据GB / T 3639-2009《冷拔或冷轧精密无缝钢管》,304不锈钢管硬度参考值小于156HB。由表2数据可知，被测材料韧性较好，无明显材质劣化。

2.4内壁形貌

2.4.1腐蚀产物

对氢气管道内壁腐蚀产物进行了电子能谱分析，以判断腐蚀产物中各元素的含量。

在含水和硫化氢的环境中，碳钢和低合金钢会发生湿H2S腐蚀，而湿H2S具有很强的腐蚀性。由图8可知，管内壁附着腐蚀产物，腐蚀产物主要为Fe的氧化物和硫化物。S元素的存在说明氢气介质中含有硫化物等腐蚀介质。同时，FeS可以沉积在金属表面形成保护膜，但膜附着性较差，在管内介质的冲刷作用下，腐蚀产物膜从金属表面剥离，金属重新暴露在腐蚀介质中。此外，由于氢原子的渗透作用，管材还会发生局部应力腐蚀，属于湿H2s破坏中的硫化物应力腐蚀开裂。2.4.2内壁裂纹及腐蚀形貌

图9是304不锈钢管内壁除锈后的腐蚀微观形貌。图9a-c中可看到管壁内表面存在的裂纹，且裂纹较深，扩展过程中出现分叉，是典型的应力腐蚀开裂特征。图9d中可见内壁存在大量的点蚀坑，点蚀现象明显，且点蚀坑不断变大，发生聚集，有形成微裂纹的趋势。

图10a为三通管气流交汇处的微观形貌。由于气流的冲刷作用，管内壁呈现局部腐蚀，点蚀坑数量较多，点蚀坑较深。图10bc为焊接区域附近。该处存在多条平行的裂纹，且焊接区域存在的残留应力会进一步促进裂纹扩展。

图11为弯管内壁除锈后的腐蚀形貌。弯管内壁承受一定的冲刷腐蚀，整体呈现均匀腐蚀。由图11b可见，焊缝区与母材区之间存在裂纹。对比图11c和d可知，远离焊缝区的管内壁出现多条平行裂纹，说明管线中存在腐蚀性介质，诱发了应力腐蚀开裂。

3结论

1)304不锈钢管力学性能满足材料需求，基体微观组织正常。靠近焊缝区域的微观组织粗大，并存在少量马氏体组织。

2)304不锈钢管内表面存在明显的腐蚀产物、裂纹和点蚀坑。腐蚀产物中存在明显S元素，推断氢气输送介质中存在硫化物。裂纹发源于管道内表面，主要分布在焊缝附近，少量分布在非焊缝区域。

3)结合裂纹形貌及腐蚀产物特征，判断304不锈钢管开裂系硫化物应力腐蚀导致。
http://jingyan.39.net/yyzx/
http://jingyan.39.net/yszx/
http://jingyan.39.net/zxdt/