船用SUS321管材失效模式影响分析

何国中，胡顺克，邓志强

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

船用SUS321管材失效模式影响分析

何国中，胡顺克，邓志强

(上海华润大东船务工程有限公司，上海 202155)

船用SUS321不锈钢材料非常普通，在船舶管路修造中应用广泛。若该牌号材料在泵压、调试过程中发生了开裂、爆管、泄漏等问题，则极易引起严重后果。文章对上海华润大东船务工程有限公司承修某船舶液压油路所使用的SUS321不锈钢管材爆管腐蚀失效模式影响进行分析研究(FMEA)。论述了船用SUS321不锈钢材料发生问题的原因，及在特定设计环境情况下是否产生质量问题。

船用SUS321不锈钢材料；腐蚀失效；液压油路；分析研究；环境影响

2007年，某船船东在上海华润大东船务工程有限公司(以下简称华润大东)修船期间，采购了D10×1船用321不锈钢管约8 000 m用于船舶液压油路，该种SUS321不锈钢管在压力调试过程中发生了开裂、爆管、泄漏等现象。经对该批不锈钢管进行检测分析，力学性能试验结果见表1，化学成分分析结果见表2。此外，对不锈钢管按照GB/T 4334.5—2000《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》进行晶间腐蚀试验，发现来样发生严重晶间腐蚀。 一般情况下奥氏体不锈钢具有较好的耐腐蚀性，该批不锈钢管的质保书上表明其材料为SUS321不锈钢，执行标准为GB/T 14976—2002，SUS321为美国的一个不锈钢牌号，从技术要求上看，它与我国标准中最接近的牌号为0Cr18Ni10Ti。对照标准，该批不锈钢管材料的C、Ni和Ti都为不合格项，鉴于该批材料的使用环境比较恶劣，针对试验室实际检测的力学性能、化学成分、晶间腐蚀试验结果，对该SUS321不锈钢管材料进行不合格项以及腐蚀失效模式影响分析(FMEA)。

表1 力学性能测试结果

注1：SUS321不锈钢标准值取自ASTM A276—2003《Standard Specification for Stainless Steel Bars and Shapes》；

注2：0Cr18Ni10Ti和1Cr18Ni9Ti标准值取自GB/T 14976—2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》。

表2 化学成分分析结果 %

注1：SUS321不锈钢标准值取自ASTM A276—2003《Standard Specification for Stainless Steel Bars and Shapes》；

注2：0Cr18Ni10Ti和1Cr18Ni9Ti标准值取自GB/T 14976—2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》。

1 船用SUS321不锈钢管可能的腐蚀失效模式及机理

用于海洋船舶的流体输送用SUS321不锈钢无缝钢管可能产生的腐蚀失效模式有点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等。

1.1 点蚀

不锈钢因表面生成钝化膜而具有耐蚀性的金属和合金，一旦由于某种原因表面膜被局部破坏而露出新鲜表面后，这部分金属就会迅速溶解而发生局部腐蚀，这种在金属表面产生小孔的腐蚀形态称为点蚀。点蚀是不锈钢常见的破坏性和隐患最大的腐蚀形态之一。

腐蚀机理：中性溶液中的离子(如Cl-)作用于表面钝化膜，表面膜受破坏，因而发生点蚀。点蚀的扩展按下列反应进行：

阳极反应，M→M++e-；

阴极反应，O2+2H2O+4e-→4OH-。

随着反应的进行，蚀孔内的M+(金属离子)增加，为保持电中性Cl-从外部移入，并生成盐。该盐水解后生成HCl，pH下降，在此情况下点蚀可以持续进行下去。点蚀的发生过程简图见图1，点蚀的发生源是在非金属夹杂物或晶界析出的碳化铬等表面不均匀部分。

图1 点蚀发生过程简图

影响因素：多数点蚀破坏是由氯化物和Cl-引起的，随着温度升高，点蚀趋于严重。常温下Cl-浓度要在1 000 mg/kg以上才发生点蚀，而在80 ℃时、100 mg/kg的Cl-就足以发生点蚀。合金元素Cr、Mo、Ni、V、Si、Ag、Re等可抑制点蚀发生，C、Mn、S、Ti、Nb等可加速点蚀进程。

1.2 晶间腐蚀

晶间腐蚀是由晶界的杂质，或晶界区某一合金元素增多或减少而引起的晶界或其邻近产生局部腐蚀，而晶粒腐蚀则相对很小。将奥氏体不锈钢在500～800 ℃下加热保温，其晶界上就会有碳化物生成，与此相邻部分的含铬量就会减少，形成所谓的贫铬区，变得敏化，也就是说变得容易发生晶间腐蚀。如果此时把它浸入酸性溶液中，贫铬区的腐蚀显著并产生晶粒脱落，发生晶间腐蚀。

腐蚀机理：晶间腐蚀的理论为贫铬理论，普通的18-8不锈钢一般含碳量0.06%～0.08%，因此有足够的碳与铬生成碳化物沉淀，见图2，这样铬就从固溶体中分离了，结果使与晶界邻近的金属铬含量降低。晶界的碳化铬是不腐蚀的，邻近晶界的贫铬区由于对许多腐蚀环境的耐蚀性较差而发生腐蚀。

图2 敏化的18-8不锈钢的晶界示意图

影响因素：降低不锈钢中的含碳量，使总碳量被限制在奥氏体常温溶解度以内，使碳化铬不被析出，也就不会引起晶间腐蚀，对于18-8不锈钢，不发生晶间腐蚀的最大含碳量与含铬量的关系公式为：

Cr-80×C≥16.8。

(1)

加入稳定化元素Ti、Nb，使钢中的碳与稳定化元素完全结合成稳定的碳化物，但要注意避免加钛使钢中出现大量的氮化钛或氧化钛，固溶处理使碳化物不析出或析出较少，也可以防治晶间腐蚀的发生。

应力腐蚀开裂(SCC)是金属材料在应力和腐蚀介质协同作用下发生的破裂。应力腐蚀开裂是在环境、材料、应力这3个因素同时起作用时发生，如图3所示。其特征为：一般拉应力下发生，而压应力下不发生；发生开裂的环境和材料有特定的组合；开裂是电化学现象，发生在特定的较窄的电位区域；可以用阴极保护防止开裂。

图3 构成应力腐蚀开裂的主要因素

腐蚀机理：耐蚀性优异的材料一般在表面上生成钝化膜，该膜在外因作用下受局部破坏，就成为点蚀或应力腐蚀的起源。奥氏体不锈钢在含氯化物的环境中容易发生应力腐蚀开裂，SCC在点蚀电位下方的区域内发生，SCC要从点蚀、缝隙腐蚀为起点，在蚀孔和缝隙内，腐蚀通过氧浓差电池的作用进行，在此过程中内部的溶解氧不断消耗，促进金属不断溶出。由于生成的盐水解，pH下降，阴离子由外部流入，产生浓缩，在这样的环境中SCC发生和发展。

影响因素：一般浓度降低，SCC开裂的敏感性减小；溶解氧在低温、低浓度的环境时表现显著；pH值越低，开裂敏感性越大；温度升高，开裂加快。应力腐蚀开裂是在材料受到拉应力情况下发生，与应力状况关系很大。实际使用环境中的SCC多是由于焊接残余应力、加工残余应力的作用而产生。

2 船用SUS321不锈钢管材料化学成分不合格项对腐蚀失效的影响

通过表2船用SUS321不锈钢管的化学成分实测值与标准值相比较，可知该批SUS321不锈钢管碳含量高于标准值，而镍和钛含量低于标准值。

2.1 碳对SUS321不锈钢管腐蚀失效的影响

碳在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区的元素，碳形成奥氏体的能力约为镍的30倍，但在奥氏体不锈钢中，碳常被视为有害元素，这主要是由于在不锈钢和耐蚀用途中的一些条件下(比如焊接或经450～850 ℃加热)，碳可与钢中的铬形成高铬的Cr23C6型碳化合物，从而导致局部铬的贫化，使钢的耐蚀性特别是耐晶间腐蚀性能下降。一些试验还指出，碳还会增大奥氏体不锈钢的点腐蚀倾向。

Cr23C6的铬碳之比约为17∶1，假设该批SUS321不锈钢中的碳全部与铬结合成Cr23C6，则钢中的铬将下降为16.91-0.12×17=14.87。铬含量的下降将使钢的耐蚀性下降。

晶间腐蚀对碳含量更敏感，对于与SUS321不锈钢化学成分相近的18-8不锈钢，式(1)给出了不发生晶间腐蚀的最大含碳量与含铬量的关系，由此可计算出该批SUS321不锈钢管的关系：16.91-80×0.12=7.31<<16.8，因此，它发生晶间腐蚀概率较高。

2.2 钛对SUS321不锈钢管腐蚀失效的影响

不锈钢中加钛主要是为了使钢中的碳与钛结合成稳定的碳化物TiC而不生成Cr23C6，从而防止晶间腐蚀。TiC中钛碳之比为4∶1，为了使钢中的碳与钛完全结合成稳定的碳化物TiC，对于SUS321不锈钢的钛碳之比应在7以上，而实测钛含量仅为0.26，那么钛碳比约为2.2，远远没达到经验值7，因此起不到预防晶间腐蚀的作用。晶间腐蚀试验报告也证明了现用的SUS321不锈钢极容易发生晶间腐蚀。

2.3 镍对SUS321不锈钢管腐蚀失效的影响

镍在奥氏体不锈钢中的主要作用是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性。然而，镍并不是唯一具有此种性质的元素。常见的奥氏体形成元素有：镍、碳、氮、锰、铜。奥氏体形成能力可用式(2)表示：

奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%，

(2)

从式(2)可看出：碳形成奥氏体的能力是镍的30倍，但它在加热或焊接后它会造成敏化腐蚀和随后的晶间腐蚀问题。氮元素形成奥氏体的能力也是镍的30倍，但是它是气体，只能在不锈钢中添加数量有限的氮。美国ASTM A276标准中可加入少量的氮，其钛含量为5(C+N)～0.70，因为钛和氮也要结合生成TiN，TiN中钛氮之比为3.5∶1，由于检测数据中没有氮含量，假设其氮含量为0，因其碳含量较高，因此，该批不锈钢管的奥氏体组织仍可能较稳定，其力学性能试验结果间接地证实了这一点。

3 使用环境对SUS321不锈钢管腐蚀失效的可能影响

GB/T 14976—2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》标准中规定，不锈钢管应在下列试验压力下保持5 s以上，钢管不得出现漏水或渗漏。

P=2δR/D，

(3)

式中：P为试验压力，8 MPa；δ为钢管的公称壁厚，mm；D为钢管的公称外径，10 mm；R为允许应力，规定为抗拉强度的40%，MPa。

由式(3)可计算出在8 MPa压力下，保证钢管不爆管的最小壁厚为：

由此可知，如果该批不锈钢管无缺陷，其均匀腐蚀减薄至壁厚0.2 mm时，才可能发生爆管。从文章第2部分“SUS321不锈钢管可能的腐蚀失效模式及机理”中得知其失效模式有点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀，因此对下列环境条件，可得出。

1)-10～50 ℃,潮湿，海风，露天的环境。在此环境中，现用的SUS321不锈钢管可能发生Cl-点蚀，点蚀的发生源是在夹杂物或晶界析出的碳化铬等表面不均匀部分。点蚀可以造成管子局部穿孔失效，还可以成为应力腐蚀开裂的起源，产生应力腐蚀开裂。

2)0～40 ℃，海水环境。在此环境中，现用的SUS321不锈钢管可能发生Cl-点蚀，点蚀的发生源是在夹杂物或晶界析出的碳化铬等表面不均匀部分。点蚀可以造成管子局部穿孔失效，还可以成为应力腐蚀开裂的起源，产生应力腐蚀开裂。

3)-10～50 ℃，潮湿的船舱环境。这里的潮湿如果是由于海水引起的潮湿同样会出现1)、2)的腐蚀情况。如果仅仅是淡水引起的潮湿，且没有其他腐蚀介质(酸、碱等)存在，在此环境中的现用的SUS321不锈钢管如果没有缺陷和外力作用，一般不会出现问题。

4)pH值为5～10的液体环境。这里的液体如果含有Cl-，将会出现1)、2)的腐蚀情况；pH值为5时会产生晶间腐蚀倾向，pH值为10时可能由于晶界贫铬产生沿晶的SCC，由于介质不明无法准确判断。

5)上述环境中1)、2)环境是对不锈钢管比较敏感的环境，使用时存在危险。

4 结束语

综上所述，该批SUS321不锈钢在使用环境中存在较大的Cl-点蚀的危险性，点蚀可以造成管子局部穿孔失效；一旦发生点蚀后就可以成为应力腐蚀开裂的起源，在材料残余应力作用下产生沿晶应力腐蚀开裂。

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Marine stainless steel SUS321 is a kind of popular material， it's widely used in the ship building and repairing field.If this material is processed in the cracking,detonation tube,leakage and other issues in pressurizing adjustment,it will cause serious consequences.Failure Mode and Effects Analysis(FMEA)to burst and corrosion of SUS321 stainless steel pipe of hydraulic circuit in a ship is introduced,which was repaired in SHANGHAI HUARUN DADONG DOCKYARD Co.,Ltd. before.Reasons for the mentioned problems of the SUS 321 stainless steel materials are discussed and the quality problems in the designed circumstance are concerned.

marine stainless steel SUS321;corrosion failure;hydraulic circuit;analysis and research;environmental impact

何国中(1969-)，男，上海人，工程师，大学本科，主要从事船舶生产、质量、技术管理工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.010

2016-04-19