摘 要:某電廠核級(jí)手動(dòng)截止閥閥桿(材質(zhì)為17-4PH 馬氏體不銹鋼)運(yùn)行約6a后,發(fā)生斷裂,通過宏觀檢查、化學(xué) 成分分析、力學(xué)性能測(cè)試等分析了失效原因。結(jié)果表明:基體材料晶界粗化,在海水系統(tǒng)中,閥桿表面出現(xiàn)較多點(diǎn)蝕 坑,點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用最終導(dǎo)致閥桿斷裂;材料在海水環(huán)境中不耐蝕以及熱處理工藝不當(dāng)是引發(fā)閥桿斷裂 的主要原因。
關(guān)鍵詞:點(diǎn)腐蝕;沿晶開裂;時(shí)效工藝
中圖分類號(hào):TG172 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1005-748X(2022)04-0065-04
17-4PH 不銹鋼是一種沉淀硬化型馬氏體不銹 鋼,碳含量低、鉻含量高且含有銅、鈮等元素,經(jīng)固溶 時(shí)效處理后,具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn),在大氣及 稀釋酸或鹽環(huán)境中都具有良好的耐蝕性,多用于制 造既要求 耐 弱 酸、堿、鹽 腐 蝕,又 要 求 高 強(qiáng) 度 的 部 件[1]。
17-4PH 不銹鋼本身具有一定的耐蝕性,但在 一些特定介質(zhì)中,尤其在含有 Cl - 、S 2- 的酸性介質(zhì) 中仍然會(huì)發(fā)生非常嚴(yán)重的腐蝕。此外,17-4PH 不 銹鋼在服役過程中還會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能和耐蝕性下降 的情況[2-3]。
本工作針對(duì)某電廠核級(jí)手動(dòng)截止閥閥桿斷裂現(xiàn) 象進(jìn)行綜合性能分析研究,以找出斷裂的原因,保障機(jī)組后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1 試驗(yàn)
閥桿斷裂的截止閥為手動(dòng)截止閥,閥結(jié)構(gòu)和部 件 材 料 如 圖 1 所 示,其 中 斷 裂 閥 桿 材 質(zhì) 為 X6CrNiCu17-04鋼。截止閥約運(yùn)行了6a,期間未進(jìn) 行任何維修。閥門平時(shí)處于常開模式,僅在檢修時(shí) 關(guān)閉,內(nèi)部介質(zhì)為海水。
針對(duì)該斷裂閥桿,分別進(jìn)行宏觀形貌觀察、化學(xué) 成分分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試等,取樣位置如 圖2所示。
對(duì)閥桿的斷裂位置、閥桿表面、斷口等進(jìn)行宏觀 形貌觀察并拍照記錄。
對(duì)斷裂閥桿取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 為 GB/T11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》。
試樣經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨、拋光并用溶液浸蝕后,進(jìn)行 顯微組織觀察。
室溫拉伸試驗(yàn)采用?5 mm 比例拉伸試棒,試 驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》。
在斷裂閥桿橫截面進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),試驗(yàn)條 件如下:負(fù)荷187.5kgf,保載時(shí)間10s。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn) 為 GB/T231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第 1部分:試驗(yàn)方法》。
對(duì)閥桿斷裂斷口正面和側(cè)面、閥桿表面分別進(jìn) 行微 觀 形 貌 觀 察,測(cè) 試 設(shè) 備 為 TESCAN VEGA TS5136XM 掃 描 電 鏡,測(cè) 試 標(biāo) 準(zhǔn) 為 JY/T 010- 1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。
2 結(jié)果與討論
2.1 宏觀形貌
送檢閥桿整體保持豎直,未見明顯彎曲變形。
斷口位于閥桿下部直徑變化部位,見圖2。斷口附 近未見明顯宏觀塑性變形,詳見圖3。斷口表面已 普遍發(fā)生腐蝕,局部呈現(xiàn)細(xì)小的蜂窩狀;將閥瓣從閥 桿上取下后,發(fā)現(xiàn)斷口下部閥桿表面沿圓周方向上 散布較多點(diǎn)腐蝕坑,見圖3 (c)黃虛線方框部位,斷 口上部閥桿表面存在少量點(diǎn)蝕坑;閥桿底部存在較 為嚴(yán)重的點(diǎn)蝕現(xiàn)象,見圖3(d)。
2.2 化學(xué)成分
由表 1 可 見:腐 蝕 閥 桿 的 化 學(xué) 成 分 滿 足 規(guī) 范 RCC-M M5110對(duì) X6CrNiCu17-04鋼的成分要求。
2.3 金相檢驗(yàn)
由圖4~6可見:閥桿基體組織為回火馬氏體+ 較多沉淀析出相,部分析出相相互聚集呈線狀,晶界 存在明顯的粗化現(xiàn)象。斷口處存在較為嚴(yán)重的腐蝕 現(xiàn)象,主裂紋和二次裂紋均為沿晶裂紋,內(nèi)部腐蝕坑 已連接在一起。
2.4 力學(xué)性能
由表2可見:試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足 標(biāo)準(zhǔn)要求,但 斷 后 伸 長(zhǎng) 率 和 斷 面 收 縮 率 低 于 標(biāo) 準(zhǔn) RCCM M5110對(duì) X6CrNiCu17-04的要求。
由 表3可 見 :試 樣 的 硬 度 較 均 勻 ,平 均 值 為381HB,滿足標(biāo)準(zhǔn) RCCM M5110對(duì) X6CrNiCu17- 04的硬度要求。
2.5 SEM 觀察和能譜分析
由圖7和8可見:斷口表面覆蓋了一層明顯的 腐蝕產(chǎn)物,邊緣及中間位置均為典型的沿晶破壞特 征;緊鄰斷口邊緣處和閥桿表面均存在明顯的點(diǎn)腐 蝕坑。
3 失效原因
從形貌觀察結(jié)果可知,閥桿表面散布著較多的 點(diǎn)腐蝕坑,剖開這些蝕坑可見蝕坑很深,并彼此有連 接現(xiàn)象。在蝕坑前沿,微觀上腐蝕以沿晶形式向基 體深入。特別是斷口附近區(qū)域,存在著同斷口方向 相同的晶間腐蝕特征。這表明閥桿斷裂是點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用造成的。
17-4PH(X6CrNiCu17-04)是 一 種 沉 淀 硬 化 馬 氏體不銹鋼,通過在馬氏體基體上析出富銅的ε相 而強(qiáng)化。其特點(diǎn)是具有高屈強(qiáng)比,強(qiáng)韌性配合好,缺 點(diǎn)是鉻含量低,僅耐弱腐蝕介質(zhì)的腐蝕,在海水等中 強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性不高,容易發(fā)生點(diǎn)蝕。
理化分析結(jié)果表明,斷裂閥桿的化學(xué)成分和硬 度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;顯微組織為回火馬氏體基體+較 多沉淀析出相,部分析出相相互聚集成線狀,晶界存 在明顯的粗化現(xiàn)象;硬度和強(qiáng)度指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)中的 A 級(jí)指標(biāo)要求,但室溫塑性明顯低于標(biāo)準(zhǔn) A 級(jí)指標(biāo) 要求,甚至低于 B級(jí)指標(biāo)要求。晶界存在明顯的粗 化現(xiàn) 象,可 能 與 熱 處 理 工 藝 不 當(dāng) 有 關(guān)。 當(dāng) 晶 界 Cr23C6沉淀速度快于 Cr元素的擴(kuò)散速度,補(bǔ)給晶 界區(qū)的 Cr量不足以抵償消耗的 Cr量時(shí),一旦貧鉻 區(qū)的Cr量低到一定程度,就會(huì)使材料出現(xiàn)晶間腐蝕 傾向。上述過程將導(dǎo)致材料的塑韌性和耐蝕性降 低,并易引發(fā)晶間腐蝕。
4 結(jié)論及建議
在點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用下,閥桿最終發(fā)生了斷裂失效。究其原因是17-4PH(X6CrNiCu17- 04)鋼的耐海水腐蝕性不高,加之熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo) 致晶界貧Cr引發(fā)晶間腐蝕,進(jìn)一步惡化了材料的耐 海水腐蝕性。將 17-4PH(X6CrNiCu17-04)作為閥 桿材料直接暴露在海水環(huán)境中,即使閥桿材料的制 造質(zhì)量合格,也難免在使用一段時(shí)間后不發(fā)生點(diǎn)腐 蝕,且隨著蝕坑不斷深入,最終也會(huì)導(dǎo)致閥桿斷裂失 效。因此,建議優(yōu)化閥桿選材,將閥桿材料更換為更 耐海水腐蝕的材料,比如超級(jí)雙相不銹鋼等。在替 代過程中,應(yīng)注意確保新材料的制造質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
參考文獻(xiàn):
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