氢气输送304不锈钢管开裂原因分析

发布时间：2021-08-13 09:09:03 丨 浏览次数：

氢气是一种高度危险的气体，不仅易燃易爆，而且具有一定的毒性，因此氢气运输的安全性一直备受关注。氢气管与其他管道平行敷设时，一般敷设在外侧，敷设在顶层：上，与其他加热管的自由距离不应小于250mm。由于氢气具有点火能量低、与空气和氧气混合燃烧、爆炸极限宽、燃烧速度快等特点，在生产和使用过程中应特别注意氢气燃烧爆炸问题。一旦发生泄漏或火灾，后果不堪设想，损失不可估量。

本文所涉及的氢气管道材料为常用的304不锈钢管。详细分析其开裂原因，可为同类管材的失效提供参考，防止日后使用中发生此类事故，具有重要意义。

1 次测试

所涉及的输氢管道于1998年投入使用，铺设于屋顶，外面有防腐层，不保温，管道尺寸为219mm8mm，管道为304不锈钢，管道内介质为为加氢原料气，以氢气为主，设计压力4.8MPa，工作压力3.2MPa，设计温度50，温度操作温度正常，工况稳定，压力无明显波动和温度。在2015年的一次彻底检查中，发现管道的许多部位都存在裂纹。截取有裂纹的直管、三通和弯头进行裂纹分析。

通过宏观检查，分析管道的总体情况。通过金相分析，判断管道显微组织是否异常；使用扫描电子显微镜和电子能谱仪通过机械性能测试（拉伸测试和硬度测试）分析：腐蚀产物的裂纹和成分，以确定管道的机械性能是否下降。

2 结果与分析

2.1 管道概况

对样品进行宏观检查，防腐层整体完好，部分区域有破损。打磨防腐层后，未发现宏观裂纹，如图如图1；且管壁无明显腐蚀、变薄、变形现象。纵向切割管道后，发现管道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介质。

2.2 金相组织

分别从304不锈钢管、T型管和弯头上切下样品，观察金相组织。对样品进行抛光和抛光后，用4% 的喷雾溶液对其进行蚀刻。金相组织见图2-4。金相组织观察参照GB/T 13298-1991 《金属显微组织检验方法》。

从图2可以看出，304不锈钢管壁基体主要由共析铁素体和珠光体组成，灰色基体为等轴铁素体，黑色块体为片状珠光体。结构均匀、精细。 304不锈钢的正态残余相显微组织。

从图3中可以看出，焊缝周围区域厚且不均匀，热影响区形成条状马氏体，黑色珠光体呈带状，有聚集，灰色铁素体分布均匀。

从图4可以看出，在焊缝区附近，黑色珠光体含量逐渐增加，晶粒变大，大晶粒的强度和硬度往往小于小晶粒的强度和硬度。同时，焊缝附近出现条状马氏体组织。马氏体组织硬度高，韧性低，容易成为缺陷区。

研究表明，显微组织对应力腐蚀开裂的敏感性按以下顺序增加。铁素体中的球形碳化物组织经过充分调质。组织正火，回火组织正火，消光后组织不回火。马氏体组织。在上述金相组织分析中，马氏体组织出现在T和弯头处的焊缝附近，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不锈钢管和三通的不同位置共取12个拉伸试样进行力学性能测试。拉伸试验按GB/T228.1-2010 《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》试验标准进行，图5为试验前三个拉伸试样的宏观形貌。拉伸试验结果与标准值对比见表1。

图6 显示了拉伸试样断裂后断裂面的宏观形貌。图6a 和b 中样品的分解日期并不明显。图6a 中的样品断裂日显示了裂纹定义。图6b 中样品的横截面是平坦的，没有45 斜截面。两者都有脆性断裂。两个拉伸试样均存在微裂纹。图6c 样品断裂后，出现锥度，中间的纤维面积较大。根据表1的结果，管壁的总体力学性能符合标准，说明304不锈钢管没有发生材料劣化。

2.3.2 硬度

硬度测试在304 不锈钢管、三通管和弯头上进行。试件包括焊接热影响区和非材料区。图7 显示了一些样品的形态。试验结果见表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。从表2中的数据可以看出，被测材料具有良好的韧性，材料没有明显劣化。

2.4 内墙形态

2.4.1 腐蚀产物

通过电子能谱分析氢气管道内壁腐蚀产物，确定腐蚀产物中各元素的含量。

在含有水和硫化氢的环境中，碳钢和低合金钢会被湿H2S腐蚀，而湿H2S具有很强的腐蚀性。从图8中可以看出，腐蚀产物附着在管内壁上，腐蚀产物主要是Fe的氧化物和硫化物，元素S的存在表明氢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，但膜的附着力差。在管内介质的擦洗作用下，腐蚀产物的薄膜从金属表面剥离，金属再次暴露在腐蚀介质中。此外，由于氢原子的渗透，管道还会发生局部应力腐蚀，属于湿H2s损伤中的硫化物应力腐蚀开裂。 2.4.2 内壁裂纹及腐蚀形态

图9为304不锈钢管除锈后内壁微观腐蚀形貌。在图9a-c中，可以看到管壁内表面有裂纹，裂纹较深，在膨胀过程中出现分叉，是低腐蚀裂纹的典型特征，张力。在图9d 中，内壁有很多腐蚀坑。点蚀现象明显，且腐蚀点蚀不断变大、聚集，并有形成微裂纹的趋势。

图10a 显示了三通管汇合处的微观形态。由于气流的磨蚀作用，管道内壁出现局部腐蚀，有大量的凹坑和深凹坑。图10bc 显示了焊接区附近。焊缝区域存在多个平行裂纹，残余应力会进一步促进焊缝扩散。

图11为弯头内壁除锈后腐蚀形态。弯头内壁有一定的冲刷腐蚀，装配体呈均匀腐蚀。从图11b可以看出，焊缝区与母材区之间存在裂纹。对比图11c和d可以看出，在远离焊缝区的管道内壁存在多条平行裂纹，说明管道内存在腐蚀介质，诱发应力腐蚀开裂。

3 结论

1）304不锈钢管力学性能满足材料要求，基体显微组织正常。焊缝区附近组织较厚，有少量马氏体组织。

2）304不锈钢管内表面有明显的腐蚀产物、裂纹和麻点，腐蚀产物中有明显的S元素，推测氢输送介质中有硫化物。裂纹起源于管内表面，主要分布在焊缝附近，少量分布在未焊区。

3）根据裂纹形态和腐蚀产物特征，304不锈钢管开裂被认为是硫化物应力腐蚀引起的。