304不锈钢波纹管泄漏原因分析
不锈钢波纹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。某波纹管厂提供了热力管线中使用的波纹管泄漏部件,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。该批不锈钢波纹管使用几个月后出现泄漏，为分析不锈钢波纹管泄漏原因，对不锈钢波纹管进行进行检验和分析。
1 理化检验
1.1 宏观检验
对不锈钢波纹管进行外观检查，发现不锈钢波纹管泄漏处外壁锈迹明显其他部位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1-3，观察发现外壁的亮带与内壁的锈蚀带基本对应。
图1 不锈钢波纹管宏观图（泄漏处）
图2 不锈钢波纹管宏观图（外壁光带）
图3 不锈钢波纹管宏观图（内壁）
1.2 金相观察
对不锈钢波纹管进行进行金相磨制，在徕卡Leica DMLM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4；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波纹管为焊接成型，见图5，焊接的热影响区域靠近基材不锈钢波纹管的晶粒明显长大，尤其内壁较明显，见图6。不锈钢波纹管内外壁均有腐蚀，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7，图8。
图4 不锈钢波纹管的显微组织（显微组织）
图5 不锈钢波纹管的显微组织（焊缝形貌）
图6 不锈钢波纹管的显微组织（焊缝热影响区形貌）
图7 不锈钢波纹管的显微组织（内壁腐蚀形貌）
图8 不锈钢波纹管的显微组织（外壁腐蚀形貌）
1.3缺陷微观观察及微区成分分析
不锈钢波纹管断口经超声波酒精溶液清洗后，利用日本电子JEOL JSM-6460LV扫描电子显微镜对裂纹区域进行微镜观察，钢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，其余钢管内表面均有不同程度的腐蚀产物存在，见图9~11，锈蚀严重区域腐蚀产物含有：C、O、Fe、Al、Si、Cr、Mn等元素，内壁腐蚀产物含有：C、O、Fe、Al、Si、Cr、Mn、Ni等元素，对样品截面观察的腐蚀产物含有：C、O、Fe、Al、Si、S、Cl、Cr、Mn、Ni等元素，见图12~13。。
图9 不锈钢波纹管的SEM+EDS照片（锈蚀区域微观形貌）
图10 不锈钢波纹管的SEM+EDS照片（锈蚀区域的腐蚀孔洞）
图11 不锈钢波纹管的SEM+EDS照片（内壁腐蚀产物形貌）
图2 不锈钢波纹管的SEM+EDS照片（腐蚀产物形貌）
图13 不锈钢波纹管的SEM+EDS照片（EDS能谱结果）
1.4化学成分分析
对不锈钢波纹管进行化学成分分析，结果见表1，结果符合标准ASTM A276-13a 不锈钢棒材和型材中304技术要求。
2 分析
2.1微观特征分析
对不锈钢波纹管进行金相分析，不锈钢波纹管非金属夹杂物检测，B类氧化物类夹杂为2.5级，属于洁净度较差的钢材，尤其在薄壁压力容器上必须谨慎使用。对不锈钢波纹管横截面微观观察，认为不锈钢波纹管为焊接成型，并且焊接处晶粒长大，说明焊接温度偏高，尤其是内壁较为严重。对不锈钢波纹管锈蚀区域横截面微观观察，不锈钢波纹管腐蚀以内壁为重，并且多以沿晶形式从表面往基材内延伸扩展，晶界上有明显的腐蚀产物存在，具有典型的应力腐蚀特征。
2.2断口特征及微区成分分析
通过对不锈钢波纹管锈蚀区域及截面腐蚀区域进行微观形貌和成分分析，不锈钢波纹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。由于波纹管的工作温度为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,波纹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 。在有拉应力、腐蚀介质、温度的影响下，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。
3 开裂原因总结
通过对不锈钢波纹管进行化学、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。
4 改进措施
针对不锈钢波纹管泄漏的原因，提出以下改进措施：
（1） 更改加工工艺，采用多层不锈钢冷挤压加工成型。
（2） 改变材质，减小应力，改变工作环境（温度和介质等）。作为热力管线中的波纹管，改变材质和减少应力并不可行，改变工作介质和温度也不现实。所以最好的防止波纹管外壁和外部介质接触，可以在表面采取环氧涂层防护。
（3） 降低介质中的氯离子含量GB 150-2011《钢制压力容器》中要求氯离子含量不超过25mg/L。控制介质中氯离子含量不超过25mg/L能有效的减少应力腐蚀的产生。
参考文献
【1】刘永刚,司东宏,马伟,等.流固耦合下含夹层阻尼的多层金属波纹管刚度和阻尼研究,机械工程学报, 2014,50(5):74-81.
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【3】魏翔云,敬和民,郑玉贵,姚治铭.热力管线中不锈钢波纹管破裂原因分析,腐蚀科学与防护技术,2002，14(6):365-367.
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