部件的使用壽命與工作環(huán)境(機械和化學的)、維修質(zhì)量和設(shè)計有關(guān)。由于不銹鋼管構(gòu)件工作環(huán)境復(fù)雜,產(chǎn)生缺陷的原因也不盡相同。當不銹鋼管部件使用一段時間之后,需要對其進行質(zhì)量檢測與評價,以預(yù)測其使用壽命,之后根據(jù)不銹鋼管檢測質(zhì)量可采取降級使用、維修或報廢處理等措施。
鐵磁性材料常見的在役過程中形成的缺陷位置及成因見表1-4。
1. 疲勞裂紋
疲勞裂紋是由周期性加載應(yīng)力形成的,這種應(yīng)力值雖然低于材料的極限抗拉強度,但還是足以產(chǎn)生裂紋或使原有的裂紋擴展。
疲勞裂紋可以從諸如機加工痕跡或刀痕處、材料表面或附近的非金屬夾雜物、空隙、孔、槽等高應(yīng)力區(qū)形成,甚至也會在光滑的表面上產(chǎn)生。
隨著承受的應(yīng)力強度增加,疲勞裂紋首先在裂紋尖端開始擴展,然后隨每個周期應(yīng)力而逐漸增大,其增量正比于應(yīng)力強度,這種過程一直持續(xù)到此應(yīng)力強度到達臨界值而發(fā)生斷裂為止。應(yīng)力強度臨界值也稱斷裂韌度,每種材料的斷裂韌度不相同。
2. 應(yīng)力腐蝕裂紋
應(yīng)力腐蝕裂紋是一種機械斷裂,是拉伸靜載荷與環(huán)境腐蝕共同影響的結(jié)果。這里所述的應(yīng)力,既包括實際施加的,也包括殘余應(yīng)力。之所以產(chǎn)生殘余應(yīng)力,其中最普遍的一個原因就是焊縫金屬冷卻時收縮所致。
環(huán)境腐蝕對不同材料的作用有所不同,就某些普通材料而言,能被環(huán)境腐蝕的有:暴露在咸水中的鋁和奧氏體不銹鋼,暴露在氨中的銅及其合金,以及暴露在氫氧化鈉中的軟鋼。
應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的脆性斷裂,可以是晶間的,也可以是穿晶的,這取決于合金的種類和腐蝕環(huán)境。在大多數(shù)情況下,微細的裂紋往往透入部件的橫截面,而在表面上只是顯示一點腐蝕痕跡。
為了保持最小的應(yīng)力強度,必須注意防止應(yīng)力集中,如刀痕、電弧坑和接近表面的大型非金屬夾雜物。
3. 氫裂紋
氫裂紋或氫脆是一種機械斷裂,是由于部件在氫介質(zhì)的腐蝕環(huán)境中使用并同時加載應(yīng)力或殘余應(yīng)力而形成的。氫介質(zhì)可通過諸如電鍍、酸洗、潮濕空氣中施焊或它自身溶解滲入材料等過程產(chǎn)生,也可能來自腐蝕,如硫化氫、氫氣、水、沼氣或氨等。
如果材料表面沒有裂紋或不存在高應(yīng)力處,則氫可以擴散進入金屬,導(dǎo)致金屬材料常在近表面處開裂,因為此處形成三維應(yīng)力的空間最大。在低強度合金中,由此導(dǎo)致開裂的空間,稱為氫氣泡。
假如裂紋早已存在,則可以很容易地看到氫引起的裂紋有一個共同的特點,即在原裂紋尖端開裂擴展。
在許多實例中,氫早在部件投入使用之前就已存在于金屬內(nèi)部,因為材料開始凝固和施焊期間,氫很容易被熔化金屬吸收滲入;在高溫和在某些情況下,氫的溶解度非常之高,以致冷卻時金屬具有的氫已呈飽和狀態(tài)。
氫裂紋沿晶界分布,很少呈分叉狀。當這種裂紋由于氣泡或靜態(tài)載荷形成時,它總是位于部件表面之下。氫裂紋還可以出現(xiàn)在部件皮下或應(yīng)力高的部位。
4. 腐蝕坑
應(yīng)用于石油行業(yè)的不銹鋼管構(gòu)件,如鉆桿、套管、輸油管道等,當輸送石油、鉆井液等流動腐蝕介質(zhì)時,不銹鋼管會受到腐蝕和沖刷作用,并且部分構(gòu)件所受應(yīng)力復(fù)雜,容易產(chǎn)生腐蝕坑,使不銹鋼管管壁減薄。在某些惡劣的工作環(huán)境下,腐蝕坑進一步擴展,可能產(chǎn)生刺穿,從而使構(gòu)件失效。