Przyczyny pękania i środki kontroli łączników rurowych ze stali nierdzewnej duplex

雙相不銹鋼具有奧氏體+鐵素體雙相組織，兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點。 因有較高的强度和耐應力腐蝕效能，同時有良好的焊接性、超塑性和低溫衝擊韌性等優越的效能使雙相不銹鋼廣泛用於石油化工領域。 因為雙相不銹鋼兼有鐵素體和奧氏體兩相組織，對成形和熱處理等方面的工藝要求較高，管件的製造難度大。 對某項目煤氣化裝置中的雙相不銹鋼管件在開工過程中出現裂紋的原因進行了詳細分析，並提出了雙相不銹鋼管件製造過程中的多項控制措施。

近年來，雙相不銹鋼强度高、韌性好、抗腐蝕性能力强而得到了越來越廣泛的應用； 不足之處是因其是鐵素體和奧氏體兩相組織，對成形和熱處理等方面的工藝要求較高，給管件的製造新增了很大的難度，所以雙相不銹鋼管件的品質問題時有發生。 2023年，某煤氣化裝置管道系統試壓時，發現黑水管道（材質S32750）的1個三通出現滲水，並有穿透性裂紋。 通過對同一廠家的雙相不銹鋼管件進行了抽樣（破壞性）檢驗，結果表明管件的多項技術指標均有不合格現象。

1. 煤氣化裝置雙相不銹鋼管件的附加科技要求

煤氣化裝置中的雙相不銹鋼管件使用條件較為苛刻，除應符合製造標準ASTM A815/A815M外，設計還要求滿足該項目S32750超級雙相不銹鋼管件科技要求，附加的科技要求有：

• 1）按ASTM A370進行-46℃衝擊試驗，AKV2≥70J，允許一個最低值不小於65J；
• 2）按標準ASTM E10進行布氏硬度試驗，硬度≤310HB；
• 3）鐵素體和奧氏體相應均勻分佈，沒有沉澱的第三相。 鐵素體含量按ASTM E562點數法進行測定，應在35%-60%；
• 4）按ASTM A923方法C進行腐蝕試驗，試樣應沒有腐蝕迹象並且重量損失小於6mdd。

2. 開裂管件檢測結果

1）對部分開裂管件的硬度、耐蝕性、衝擊吸收功、鐵素體含量（可擕式鐵素體儀）和金相組織進行了檢驗，管件上取樣部位見圖1-圖3，檢驗結果見錶1。 檢查所有三通的鐵素體含量，結果不合格比率為35%。

圖.1 彎頭的取樣位置

圖.2 三通的取樣位置

圖.3 大小頭取樣位置
2）對該廠家多個規格的原材料鋼管現場取樣分析，選取了不同鐵素體含量的管件進行了衝擊試驗、硬度檢測、腐蝕試驗、金相組織檢驗，各項檢驗結果均合格。 由錶1可知：圖4-圖6的性能指標均有不合格。

3. 檢驗檢測結果分析

1）開裂三通的衝擊吸收功和金相組織均不合格，金相組織中出現了 σ 相，這種有害相使資料變脆，在使用過程中 σ 相會成為裂紋的起源點，隨著裂紋的擴展將導致整個管件開裂； 其餘抽樣管件均至少有1項技術指標不滿足要求，有的是衝擊值不合格，有的是金相組織不合格，有的是2項以上不合格。 檢驗結果說明，這些UNS S32750雙相不銹鋼產品未嚴格按照該項目的科技要求進行檢測即交貨，製造廠質量意識嚴重缺失。

錶.1 抽樣管件的檢驗結果

樣品編號	AKV2 7.5 x 10 x 55/J	HBW	腐蝕速率/mdd	金相		綜合結論
				鐵素體含量，%	組織
1號彎頭-1	110.6/162.4/9.1	275/274/272	77.69	37	在鐵素體和奧氏體的相界上有大量σ相，圖4	該彎頭整體力學性能不均勻一端衝擊值和硬度值較好，中間位置及另一端則效能很快下降； 腐蝕速率、衝擊值和硬度值、金相組織不合格。
1號彎頭-2	3.4/3.1/3.6	3171315/313	225.61	18
1號彎頭-3	3.2/2.3/3.2	373/3731375	455.83	17
6號三通	（試樣10 x 10 x 55}12.0/3.3/5.2	293/292/292	1.59	57	σ相分佈在鐵素體和奧氏體的相界上，並擴展至鐵素體圖5	衝擊值、金相組織不合格腐蝕率、硬度值合格。
8號大小頭	25.3、36.2、12.2	271/269/266	1.93	53	鐵素體和奧氏體圖6	衝擊值不合格腐蝕率和硬度值、金相組和鐵素體含量合格。

圖.4 彎頭組織

圖.5 三通組織

圖.6 大小頭組織
2）雙相不銹鋼的熱處理較奧氏體不銹鋼要更敏感，存在雙相鋼中由於有害相的析出導致資料的韌性和耐蝕性下降風險。 產生有害相析出的主要原因是：由於熱處理溫度不够或保溫時間不足，析出的有害相未能完全溶解，或者在製造過程中的資料長時間暴露在有害相析出的溫度（範圍）下。
3）雙相鋼的顯微組織即奧氏體和鐵素體的相平衡是影響其效能的重要因素，對於雙相鋼中的鐵素體含量，取決於其化學成分和熱迴圈史。 雙相不銹鋼中含有大量的鐵素體，在熱加工過程中極易產生 σ 相，並導致最終產品的不合格； 熱處理還可使鐵素體含量下降，使其抗SCC能力下降，當鐵素體含量小於30%時，有發生SCC的風險，但鐵素體含量大於70%時，其抗點蝕效能下降。 囙此製定合理的成形和熱處理工藝，並在製造過程中針對雙相不銹鋼資料的特殊性採取有效的控制措施，是保證產品品質的關鍵。
4）彎頭外側出現了高硬度區，這是因為彎管時的强烈冷變形，導致在高塑性的形變區殘餘拉應力過高，使其硬度急劇升高，這一區域在高溫含Cl-環境中也可能發生應力腐蝕開裂。

4. 製造雙相不銹鋼管件的過程中應採取的控制措施

4.1 製造雙相不銹鋼管件的原材料控制

• 1）在採購雙相不銹鋼鋼管、鋼板等原材料時，應結合設計要求和制造技術提出對材料採購要求。 原材料進廠必須進行嚴格的複驗，包括無損檢測和取樣試驗，以確保所使用的資料符合採購要求。
• 2）焊管上鋸下的管件坯料，需進行焊縫磨平處理，但不要修磨過度。

4.2 雙相不銹鋼管件的成形控制

成形工序應優先採用冷加工成形工藝。 當需要採取熱加工成形時，由於雙相不銹鋼在700-950℃會產生 σ 相，囙此最終成形溫度不得低於950℃，並要求冷卻速度盡可能的快。

• 1）成形過程必須嚴格控制，配備和選用精確的模具，儘量減少整形操作；
• 2）成形溫度應嚴格控制；
• 3）熱成形和熱整形前的加熱，應儘量採用整體加熱管道；
• 4）一次加熱工件數量不應太多，防止後取出的工件溫度達不到成形要求；
• 5）熱成形和熱整形後，工件應立即水冷；
• 6）工件出爐至鍛壓過程應儘量縮短時間並採取適當保溫措施，以防止工件溫度迅速下降； 不得採用直接捶擊的管道進行整形。

4.3 雙相不銹鋼管件的焊接控制

做好焊前準備工作，包括對熔合面和接頭兩側的徹底清理，清除氧化皮、銹蝕、油脂、油漆、色筆印等其它异物。 可在熔合面和相鄰母材採用丙酮、丙醇或异丙醇徹底去除油脂，不得使用含氯元素的溶液、甲醇和工業甲基化酒精。
點焊應採用GTAW工藝，氬氣保護。 焊炬應儘量垂直並靠近操作點，以避免保護氣體中混入空氣。 根部焊道施焊時應將點焊焊縫去除，防止根部焊道在點焊處出現裂紋。

4.4 雙相不銹鋼管件的熱處理控制

產品成形後應進行固溶處理，水淬冷卻。 雙相不銹鋼管件應進行熱處理工藝評定，評定合格的工藝方能使用，以防止熱處理不當造成產品效能不合格。

4.5 雙相不銹鋼管件的檢驗與試驗

產品必須嚴格按照設計要求進行無損檢測及取樣試驗，產品的各項性能指標均符合設計要求方能交付使用。

5. 結語

雙相不銹鋼管件由於其具有奧氏體和鐵素體雙相組織，使其變形加工難度增大，變形加工溫度控制範圍較窄，熱加工過程中控制不當容易出現 σ 相或相比例失調，囙此雙相鋼管件製造應通過優化工藝方案、改進工裝、積累製造經驗、嚴格的控制措施來保證產品品質的可靠性。
作者：趙保興
管件製造商 - 雅昂管業 (www.tourochina.com)