316Lステンレス鋼コイルのリーク不良を理解する

316Lはオーステナイト系ステンレス鋼に属し、国内ブランドの022Cr17Ni12Mo2に相当し、良好な塑性と耐食性を有する。

今回のMo元素の追加 ステンレス鋼 は耐孔食性を大幅に向上させる。

したがって、316Lステンレス鋼は、石油化学、製薬、その他の産業で広く使用されています。

ある企業で使用されていた316Lステンレス鋼コイルは、使用中に管壁に漏れと穿孔が見つかった。

パイプ内の作動媒体は水蒸気で、作動圧力は0.9MPa。

パイプ外の媒体は強アルカリと銅粉で、使用圧力は1.0MPa。

内壁と外壁の間には圧力差がある。

故障の原因を実験によって分析・研究している。

1.マクロ分析

1.1 目視検査

外観の巨視的な目視検査から、図1aに示すように、リーク孔は外壁に直径2mm程度の小さな孔であることがわかった。

内壁には、図1bに示すように、直径1mm程度の小穴が縦に4つ並んでおり、「反り皮」と呼ばれるクラックが多数見られる。

図1 リークホールのマクロ形態

1.2 拡大マクロ検査

可変倍率実体顕微鏡で観察した場合、図2aは40倍拡大後の内壁リークホールのマクロ写真である；

図2bは、切断後のリークホールの形状を示す。

穴の中の空間は比較的大きく、総体積は約4mmである。³.

穴の壁は起伏があり、不規則だ。

図2 リークホールの形態

2.検出と分析

2.1 スペクトル化学組成分析

フルスペクトル直読分光計は、リークホール周辺のサンプルの化学組成を分析するために使用される。

その結果（平均値）を表1に示す。

ASME SA213のTP316L材の組成と比較すると、規格の要件を満たしている。

表1 化学組成（質量分率）分析結果（%）

2.2 引張試験

電子万能試験機は、引張試験のためにコイル上のサンプルを採取するために使用される。

結果を表2に示す。

試料の破壊形態は塑性破壊である。

比較すると、引張強度が高いことがわかる、 降伏強度 および破断後の伸びは、ASME SA213規格に適合している。

表2 機械的特性試験結果

2.3 プロセス性能試験

電子万能試験機は、フレア加工と平坦化試験を実施するために使用される。

結果を表3に示す。

試験後のフレアサンプルの外観を図3に示す。

パイプの内壁に亀裂はない。

扁平化した試料の形態を図4に示す。

扁平化した試験片の外壁の引張面に亀裂が発生する。

クラック開口端の外壁は古い破壊で、クラック先端は新しい破壊である。

チューブの外壁に古いひび割れがあるのがわかる。

表3 プロセス性能テスト結果

図3 フレアサンプル

図4 平坦化した試験片の引張面に発生した亀裂。

2.4 金属組織分析

コイルの内壁、外壁、内側にマイクロメタログラフィー・サンプルを加工する。

試料の断面を研磨し、金属組織顕微鏡で観察する。

図5aから、コイル内壁に「反り肌」のクラックがあり、「反り肌」の底にマイクロクラックがあることがわかる；

図5bからわかるように、外壁には多数のマイクロクラックがあり、これらは欠陥や腐食ピットから発生し、介在物に沿って拡大している；

図5cからわかるように、内部には粒状、帯状、塊状の介在物が多数存在し、その大きさは5～25μmである。

図5 コイル素材の異なるエリア

腐食した試料の微細構造は以下の通りである。 オーステナイト 平均粒径は6.5で、粒界に析出物が見られる。

図6bから、内壁に多数の変形スリップラインがあることがわかる。 残留応力;

図6cから、外壁に粒界割れと粒界割れがあることがわかる。

図6 金属組織図

2.5 SEM分析

走査型電子顕微鏡を用いて亀裂の破壊状態を観察した。図7aは古い亀裂である。

図7bの漏洩孔の内壁形態から、表面に「泥模様」の腐食生成物があることがわかる。

図7 故障部のSEM外観

2.6 Eエネルギースペクトル分析

図7aの古い破壊試料について、図8に示すようにエネルギースペクトル分析を行った。結果を表4に示す。

腐食生成物は比較的複雑で、主に酸化物で構成され、Cu、Naなどが混じっている。

表4 エネルギースペクトル分析結果（質量分率）（%）

図8 分析点のエネルギースペクトル

3.総合分析

上記の試験データから、コイルTP316Lステンレス鋼の化学成分、引張強さ、降伏強さ、破断後の伸びは、ASME SA213の要件を満たしている。

フレアリング試験は適格で、扁平試験管の外壁の引張面に亀裂が生じ、開放端は古い亀裂である。

金属組織分析とSEM＋EDSによると、組織はオーステナイト系ステンレス鋼だが、大きさの異なる粒状の介在物があり、表面、特に漏出孔には「泥模様」の腐食生成物がある。

孔壁が不規則に変動し、「ゆがんだ皮膚」に多数のマイクロクラックがあり、介在物に沿って拡大する。

4.結論と提案

316Lステンレスの漏れの主な原因 スチールコイル は、材料中に多数の介在物、酸化腐食生成物、マイクロクラックが存在する。

マトリックスの連続性は、介在物の存在によって破壊される。

残留応力と内壁と外壁の圧力差の共同作用の下で、亀裂は容易に発生し、介在物で拡大する。

しかし、封入物は高温の蒸気媒体と接触する。

介在物の耐食性は材料自体の耐食性よりはるかに低いため、介在物は腐食され、最終的に管壁に穴が開き、管壁に穴が開いて漏れが生じる。

同様の漏電故障を避けるため、以下のように推奨される：

1) コイルの使用環境に対して、高品質 316Lステンレス鋼 介在物の少ない材料を選ぶべきである。

2) 作業媒体の純度を管理し、パイプへの腐食性物質の影響をできるだけ避ける。

3) コイル構成部品は、以下の後に熱処理されなければならない。 曲げ そして 溶接 残留応力を効果的に解放する。