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氫氣輸送304不銹鋼管開裂原因分析
氫氣是一種高度危險的氣體，不僅易燃易爆，而且具有一定的毒性，因此氫氣運輸的安全性一直備受關注。氫氣管與其他管道平行敷設時，一般敷設在外側，敷設在頂層：上，與其他加熱管的自由距離不應小于250mm。由于氫氣具有點火能量低、與空氣和氧氣混合燃燒、爆炸極限寬、燃燒速度快等特點，在生產和使用過程中應特別注意氫氣燃燒爆炸問題。一旦發生泄漏或火災，后果不堪設想，損失不可估量。
本文所涉及的氫氣管道材料為常用的304不銹鋼管。詳細分析其開裂原因，可為同類管材的失效提供參考，防止日后使用中發生此類事故，具有重要意義。
1 次測試
所涉及的輸氫管道于1998年投入使用，鋪設于屋頂，外面有防腐層，不保溫，管道尺寸為219mm8mm，管道為304不銹鋼，管道內介質為為加氫原料氣，以氫氣為主，設計壓力4.8MPa，工作壓力3.2MPa，設計溫度50，溫度操作溫度正常，工況穩定，壓力無明顯波動和溫度。在2015年的一次徹底檢查中，發現管道的許多部位都存在裂紋。截取有裂紋的直管、三通和彎頭進行裂紋分析。
通過宏觀檢查，分析管道的總體情況。通過金相分析，判斷管道顯微組織是否異常；使用掃描電子顯微鏡和電子能譜儀通過機械性能測試（拉伸測試和硬度測試）分析：腐蝕產物的裂紋和成分，以確定管道的機械性能是否下降。
2 結果與分析
2.1 管道概況
對樣品進行宏觀檢查，防腐層整體完好，部分區域有破損。打磨防腐層后，未發現宏觀裂紋，如圖如圖1；且管壁無明顯腐蝕、變薄、變形現象。縱向切割管道后，發現管道內壁附著黑色腐蝕產物，呈塊狀分布，說明輸送的氫氣中存在腐蝕介質。
2.2 金相組織
分別從304不銹鋼管、T型管和彎頭上切下樣品，觀察金相組織。對樣品進行拋光和拋光后，用4% 的噴霧溶液對其進行蝕刻。金相組織見圖2-4。金相組織觀察參照GB/T 13298-1991 《金屬顯微組織檢驗方法》。
從圖2可以看出，304不銹鋼管壁基體主要由共析鐵素體和珠光體組成，灰色基體為等軸鐵素體，黑色塊體為片狀珠光體。結構均勻、精細。 304不銹鋼的正態殘余相顯微組織。
從圖3中可以看出，焊縫周圍區域厚且不均勻，熱影響區形成條狀馬氏體，黑色珠光體呈帶狀，有聚集，灰色鐵素體分布均勻。
從圖4可以看出，在焊縫區附近，黑色珠光體含量逐漸增加，晶粒變大，大晶粒的強度和硬度往往小于小晶粒的強度和硬度。同時，焊縫附近出現條狀馬氏體組織。馬氏體組織硬度高，韌性低，容易成為缺陷區。
研究表明，顯微組織對應力腐蝕開裂的敏感性按以下順序增加。鐵素體中的球形碳化物組織經過充分調質。組織正火，回火組織正火，消光后組織不回火。馬氏體組織。在上述金相組織分析中，馬氏體組織出現在T和彎頭處的焊縫附近，容易誘發硫化物應力腐蝕開裂。
2.3 力學性能
2.3.1 拉伸試驗
在304不銹鋼管和三通的不同位置共取12個拉伸試樣進行力學性能測試。拉伸試驗按GB/T228.1-2010 《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》試驗標準進行，圖5為試驗前三個拉伸試樣的宏觀形貌。拉伸試驗結果與標準值對比見表1。
圖6 顯示了拉伸試樣斷裂后斷裂面的宏觀形貌。圖6a 和b 中樣品的分解日期并不明顯。圖6a 中的樣品斷裂日顯示了裂紋定義。圖6b 中樣品的橫截面是平坦的，沒有45 斜截面。兩者都有脆性斷裂。兩個拉伸試樣均存在微裂紋。圖6c 樣品斷裂后，出現錐度，中間的纖維面積較大。根據表1的結果，管壁的總體力學性能符合標準，說明304不銹鋼管沒有發生材料劣化。
2.3.2 硬度
硬度測試在304 不銹鋼管、三通管和彎頭上進行。試件包括焊接熱影響區和非材料區。圖7 顯示了一些樣品的形態。試驗結果見表2。根據GB/T 3639-2009 《冷拔或冷軋精密無縫鋼管》，304不銹鋼管硬度參考值小于156HB。從表2中的數據可以看出，被測材料具有良好的韌性，材料沒有明顯劣化。
2.4 內墻形態
2.4.1 腐蝕產物
通過電子能譜分析氫氣管道內壁腐蝕產物，確定腐蝕產物中各元素的含量。
在含有水和硫化氫的環境中，碳鋼和低合金鋼會被濕H2S腐蝕，而濕H2S具有很強的腐蝕性。從圖8中可以看出，腐蝕產物附著在管內壁上，腐蝕產物主要是Fe的氧化物和硫化物，元素S的存在表明氫介質中含有硫化物等腐蝕介質。同時，FeS可以沉積在金屬表面形成保護膜，但膜的附著力差。在管內介質的擦洗作用下，腐蝕產物的薄膜從金屬表面剝離，金屬再次暴露在腐蝕介質中。此外，由于氫原子的滲透，管道還會發生局部應力腐蝕，屬于濕H2s損傷中的硫化物應力腐蝕開裂。 2.4.2 內壁裂紋及腐蝕形態
圖9為304不銹鋼管除銹后內壁微觀腐蝕形貌。在圖9a-c中，可以看到管壁內表面有裂紋，裂紋較深，在膨脹過程中出現分叉，是低腐蝕裂紋的典型特征，張力。在圖9d 中，內壁有很多腐蝕坑。點蝕現象明顯，且腐蝕點蝕不斷變大、聚集，并有形成微裂紋的趨勢。
圖10a 顯示了三通管匯合處的微觀形態。由于氣流的磨蝕作用，管道內壁出現局部腐蝕，有大量的凹坑和深凹坑。圖10bc 顯示了焊接區附近。焊縫區域存在多個平行裂紋，殘余應力會進一步促進焊縫擴散。
圖11為彎頭內壁除銹后腐蝕形態。彎頭內壁有一定的沖刷腐蝕，裝配體呈均勻腐蝕。從圖11b可以看出，焊縫區與母材區之間存在裂紋。對比圖11c和d可以看出，在遠離焊縫區的管道內壁存在多條平行裂紋，說明管道內存在腐蝕介質，誘發應力腐蝕開裂。
3 結論
1）304不銹鋼管力學性能滿足材料要求，基體顯微組織正常。焊縫區附近組織較厚，有少量馬氏體組織。
2）304不銹鋼管內表面有明顯的腐蝕產物、裂紋和麻點，腐蝕產物中有明顯的S元素，推測氫輸送介質中有硫化物。裂紋起源于管內表面，主要分布在焊縫附近，少量分布在未焊區。
3）根據裂紋形態和腐蝕產物特征，304不銹鋼管開裂被認為是硫化物應力腐蝕引起的。
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