热力管网用波纹管膨胀节失效分析
张永辉
（洛阳船舶材料研究所  河南  洛阳  471039）

关键词：  不锈钢  应力腐蚀  波纹管

    某热力管网在用RJ16-1000BI波纹管膨胀节发生破裂。该波纹管材质为304不锈钢，四层结构。其服役位置位于一窨井内。马路上的积水可沿窨井盖边缘渗入并滴至波纹管表面。
    本文利用扫描电镜及金相显微镜对破裂的波纹管膨胀节裂纹及断口进行了宏观、微观及裂纹尖端腐蚀产物分析，找出了其破损原因。
    宏观观察发现，该波纹管破裂处最外层腐蚀最严重，部分区域已粉碎、脱落，露出了第二层。但第四层(即最内层)内表面仍呈金属光泽，未发现明显腐蚀现象。在第一、二、三层内外表面及第四层外表面均发现有各种走向的裂纹，其中第一、二两层裂纹最多，三层其次，四层发现较少。
    对波纹管各层表面进行宏观观察发现，除最内层内表面外，第一至第三层内外表面及最内层外表面均存在点蚀坑，蚀坑的分布规律为：第一层内外表面及第二层外表面蚀坑较多，第二层内表面及第三层内外表面相对较少，第四层（即最内层）外表面最少。图1为波纹管表面腐蚀形态。
    在光学显微镜下对大量抛光试样进行观察，可以发现，裂纹起始于波纹管各层的表面，为多发性裂纹源，裂纹主要呈直线状及分支状，参见图2。在第一、二、三层，裂纹扩展方向一部分为由外向内，另一部分为由内向外，但最内层只发现有由外向内扩展的裂纹。

    采用JSM-35C扫描电子显微镜对裂纹断口形貌进行了观察。观察发现，裂纹断口表面附着有较多腐蚀产物，原始断口表面腐蚀均较严重，但断口形貌仍可观察。裂纹均以穿晶形式扩展，均呈解理特征，分别见图3~6。

           图7  能谱分析结果
    采用DX-4 X-射线能谱仪对各个断口裂纹前沿微区成分进行了分析，在裂纹前沿，均可发现较高含量的Cl元素及少量S元素的存在。能谱分析结果见图7。

    实验结果表明，裂纹形态均为直线状或分支状，这是应力腐蚀裂纹的典型特征。但属于何种应力腐蚀裂纹呢？对于奥氏体不锈钢来说，引起应力腐蚀发生的腐蚀性介质主要有三种，即苛性碱溶液、连多硫酸和热浓的Cl-。从现场提供的情况来看，苛性碱环境不可能存在，这就排除了第一种可能。连多硫酸引起的应力腐蚀开裂为沿晶特征，但扫描电镜断口观察表明，裂纹均以解理方式扩展，属穿晶特征，波纹管表面也未发现晶间腐蚀现象，因此也排除了连多硫酸引起的应力腐蚀开裂的可能。我们知道，奥氏体不锈钢由Cl-引起的应力腐蚀开裂裂纹为穿晶脆性特征，这与该波纹管的裂纹特征相吻合，能谱分析也证明裂纹尖端区域有Cl-的存在。由此可以断定该波纹管裂纹的产生是Cl-引起的应力腐蚀造成的。
    应力腐蚀的产生的条件是拉应力及腐蚀介质。该波纹管在工况下，既承受工作应力，又承受残余应力，所以应力条件是存在的。从宏观观察及显微分析可以看出，波纹管最外层腐蚀最严重，从第二层到最内层腐蚀程度依次降低，内层腐蚀最轻微，这就说明腐蚀性介质不是来自管内，而应来自于管体外部。从现场调查情况看，从窨井盖渗入的积水就是Cl-的来源，含Cl-的污水滴到波纹管表面，在波纹管工作条件下，不断被加热、浓缩，形成了腐蚀介质。

    从以上分析可以得出以下结论：
    (1)该波纹管各层上产生的裂纹是Cl-应力腐蚀裂纹。
    (2)Cl-来自于波纹管外部。

    根据所得结论，建议用户对所有能接触污水的波纹管加装保护设施，以断绝含Cl-水溶液对该类波纹管的损害。