304不锈钢水管泄漏原因分析

不锈钢水管作为一种柔性耐压管件安装于液体输送系统中，用以补偿管道或机器、设备连接端的相互位移，吸收振动能量，能够起到减振、消音等作用，具有柔性好、质量轻、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温等多项特点。然而，近年来被认为不易被腐蚀的不锈钢管道却频繁发生腐蚀失效，严重的甚至发生泄露事故。

一、案例背景

某水管厂提供了热力管线中使用的水管泄漏部件,并提供了该管工况条件：材质为304不锈钢，管内通50～95℃的自来水，供水压力<450kPa。该批不锈钢水管使用几个月后出现泄漏，为分析不锈钢水管泄漏原因，对不锈钢水管进行进行检验和分析。

对不锈钢水管进行外观检查，发现不锈钢水管外壁没有明显的锈蚀，有一约25mm宽的光亮带。内壁有一明显的锈蚀带，贯穿整段钢管见图1，观察发现外壁的亮带与内壁的锈蚀带基本对应。

图1  不锈钢水管宏观图

对不锈钢水管进行进行金相磨制，在光学金相显微镜下观察发现，样品样品的显微组织为：奥氏体组织，部分晶内有孪晶，见图2(a)；样品的非金属夹杂物为：A1.5，B2.5，C1.0，D0(备注：A为硫化物夹杂，B为氧化铝夹杂，C为变形硅酸盐夹杂，D为球状夹杂)。

用3%硝酸酒精溶液浸蚀后观察发现不锈钢水管为焊接成型，见图2(b)，焊接的热影响区域靠近基材不锈钢水管的晶粒明显长大，尤其内壁较明显，见图2(c)。不锈钢水管内外壁均有腐蚀，内壁较外壁严重，多以沿晶腐蚀现象存在，腐蚀裂纹内填充有灰色腐蚀产物，腐蚀严重的区域基本在基材靠近焊缝区域，见图2(d)。

图2  不锈钢水管的显微组织：（a）显微组织;（b）焊缝形貌;（c）焊缝热影响区形貌;（d）内壁腐蚀形貌

不锈钢水管断口经超声波清洗后，利用扫描电子显微镜对裂纹区域进行微镜观察，不锈钢水管内壁锈蚀区域表面覆盖有严重腐蚀产物，并且发现有腐蚀孔洞，见图3（a）和3（b）。同时对微区腐蚀产物进行成分分析，见图3（c）和3（d），从结果看出，腐蚀产物中含有元素碳、氧、铁、氯、硅、硫、氯、铬、锰、镍等元素。  

图3 不锈钢水管的SEM+EDS照片：（a）锈蚀区域微观形貌;（b）锈蚀区域的腐蚀孔洞;（c）腐蚀产物形貌;（d）EDS能谱

对不锈钢水管进行化学成分分析，结果见表1，结果符合标准ASTM A276-17 不锈钢棒材和型材中304技术要求。

表1不锈钢水管的化学成分分析结果（质量分数，%）

2、断口特征及微区成分分析：通过对不锈钢水管锈蚀区域及截面腐蚀区域进行微观形貌和成分分析，不锈钢水管内壁腐蚀产物与截面的腐蚀产物成分除氯（质量百分比1.94%）外基本相同。大量的氯化物的检出表明,是由氯化物引起的应力腐蚀。由于水管的工作温度为50～95℃,在高温下,氯化物引起的应力腐蚀开裂速度是很快的。应力腐蚀的第二个必要条件是部件承受拉应力,水管的应力主要来自于管道内热水或水蒸气的工作压力，冷热补偿时轴向应力，加工成形时内部残余应力。

通过对不锈钢水管进行化学、金相检测及断口进行宏观、微观观察分析，泄漏的原因是不锈钢焊接区域有过热现象，导致材料的局部力学性能降低，同时在有拉应力、腐蚀介质、温度的影响下，不锈钢管优先在夹杂物聚集的区域产生应力腐蚀裂纹，并向基体内延伸扩展，最终导致钢管泄漏失效。