鑄造不銹鋼閥體裂紋分析

孔祥夷，王家?guī)停w 晶，王 焱

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，河南鄭州 450016)

0 引言

某石化廠自動(dòng)切斷閥閥體，其工作溫度360～380℃，工作壓力2.8 MPa，工作介質(zhì)為含氫量大于55%的變換氣。該閥體除密封環(huán)外，其余為整體鑄造成型(包括3個(gè)法蘭)，閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。在設(shè)備例行安全檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)閥體出現(xiàn)大量裂紋，主要集中在雙閘板密封環(huán)所在的進(jìn)出口直段與閥體內(nèi)壁相貫處，進(jìn)一步檢查后發(fā)現(xiàn)裂紋由內(nèi)表面起源，向外表面擴(kuò)展，在開(kāi)裂最嚴(yán)重處多條裂紋已貫穿閥體，變換氣出現(xiàn)泄漏，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)工藝安全。為保證設(shè)備的安全運(yùn)行，防止類(lèi)似情況再次發(fā)生，有必要對(duì)裂紋性質(zhì)及形成原因進(jìn)行分析，從而提出防止裂紋的措施。

1 化學(xué)成分分析

該鑄造閥體材質(zhì)ZG08Cr18Ni9，最小壁厚42 mm，最大壁厚(閥底處)85 mm。在閥體母材處鉆孔取樣并進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

依據(jù)GB/T 12230—2005《通用閥門(mén) 不銹鋼鑄件技術(shù)條件》［1］可以判定，材料的C，Si含量偏高，這兩種元素含量偏高會(huì)降低材料的塑性和韌性，且Si含量偏高則會(huì)提高材料冷變形加工硬化率，降低焊接性能［2］。另外，C含量偏高還增加材料鑄造時(shí)的冷裂傾向［3］。

圖1 閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

表1 化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果 %

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

在閥體無(wú)可見(jiàn)裂紋的不同部位各取4個(gè)樣品，分別進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)、常溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:材料的屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率收縮率均符合GB/T 12230—2005《通用閥門(mén) 不銹鋼鑄件技術(shù)條件》［1］中ZG08Cr18Ni9不銹鋼性能標(biāo)準(zhǔn)的要求，但4個(gè)試樣中只有一個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求;而不同試樣的沖擊韌性相差較大。

拉伸試驗(yàn)中，力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的拉伸樣斷口見(jiàn)圖2(a)，一試樣剛出現(xiàn)屈服便發(fā)生斷裂，其斷口表面大部分區(qū)域呈小顆粒形貌，見(jiàn)圖2(b)。

圖2 試樣的力學(xué)試驗(yàn)形貌

3 裂紋特征

3.1 宏觀形貌分析

為對(duì)閥體失效原因進(jìn)行全面了解，通過(guò)取樣進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋具有以下宏觀特征:外表面裂紋主要集中在雙閘板密封環(huán)所在的進(jìn)出口直段與閥體內(nèi)壁相貫處，裂紋呈現(xiàn)斷續(xù)、分散分布的特征，裂紋部位未見(jiàn)宏觀塑性變形，見(jiàn)圖3;材料內(nèi)部的裂紋相對(duì)呈現(xiàn)為較連續(xù)、細(xì)小、樹(shù)枝狀的形貌，見(jiàn)圖4;閥體材料內(nèi)部存在宏觀鑄造縮孔及非金屬夾雜物，見(jiàn)圖5。

圖3 閥體外表面裂紋形貌

3.2 微觀形貌分析

圖6示出微觀裂紋形態(tài)。可以看出，所有裂紋均起源于閥體內(nèi)表面，由內(nèi)向外伸展，多條裂紋已貫穿閥體。裂紋為穿晶型，有分支。閥體內(nèi)外表面沒(méi)有現(xiàn)成的斷口表面，因此，為了解裂紋內(nèi)部裂面形貌，取裂紋表面及強(qiáng)制解體斷口進(jìn)行掃描電鏡分析。

圖4 材料內(nèi)部裂紋形貌

圖5 閥體分散性裂紋

圖6 微觀裂紋形態(tài) 25×

微觀觀察結(jié)果表明:取閥體含裂紋樣的裂紋打開(kāi)，斷口表面具有層片狀的解理臺(tái)階形貌，見(jiàn)圖7(a);取圖2(b)中斷口進(jìn)行電鏡掃描，發(fā)現(xiàn)斷口表面有較多鑄造缺陷，見(jiàn)圖7(b);取進(jìn)出口直段與閥體內(nèi)壁相貫交接處的裂紋樣并將裂紋打開(kāi)，同樣發(fā)現(xiàn)解理形貌及鑄造疏松缺陷，見(jiàn)圖7(c)和(e);進(jìn)出口直段與閥體內(nèi)壁相貫處的裂紋表面，除鑄造缺陷外，還存在自解理面中心向四周發(fā)散的河流狀形貌，見(jiàn)圖7(d);在密封環(huán)與閥體焊接熱影響區(qū)附近取樣發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)含裂紋試樣其斷口具有沿晶斷裂特征，見(jiàn)圖7(f);取圖2(a)中斷口進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其斷口為正常的韌窩形貌，見(jiàn)圖7(g)。

圖7 試樣的微觀形貌

4 金相組織分析

主要觀察了以下幾個(gè)部位的金相組織形態(tài):(1)閥體外表面;(2)閥體內(nèi)表面;(3)閥體相貫部位焊縫及附近母材;(4)沿壁厚方向。

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)閥體外表面組織整體上顯示為等軸奧氏體，但晶粒大小不均，最大晶粒尺度超過(guò)0.5 mm，最小尺度＜0.05 mm，局部晶粒存在絮狀擴(kuò)散物，小晶粒集中區(qū)晶界存在雜質(zhì)，見(jiàn)圖8(a);

(2)進(jìn)出口直段與閥體相貫處存在裂紋，為穿晶型裂紋，且沿晶界有雜質(zhì)或化合物析出、點(diǎn)狀異相，見(jiàn)圖8(b);材料內(nèi)部存在尺寸較大的夾雜物及孔洞，見(jiàn)圖8(c);

(3)焊縫組織呈枝晶分布，局部焊縫與母材未完全熔合，局部熱影響區(qū)的母材存在裂紋、晶粒大小嚴(yán)重不均，見(jiàn)圖8(d);密封環(huán)組織為孿晶奧氏體，內(nèi)部存在大量短小穿晶型微裂紋，見(jiàn)圖8(e);

(4)沿閥體壁厚方向的剖面方位清晰可見(jiàn)近內(nèi)外表面的柱狀晶形貌，見(jiàn)圖8(f)。

圖8(a)，(b)金相圖中，有分散點(diǎn)狀分布的碳化物相，但未在晶界形成連續(xù)網(wǎng)狀，由于閥體鑄造后并未做固溶處理，因此這些碳化物相是奧氏體不銹鋼鑄造中產(chǎn)生的，從金相判斷應(yīng)該不會(huì)造成材料脆性斷裂;從閥體正常區(qū)域取樣的力學(xué)性能試驗(yàn)也證明未發(fā)生脆性斷裂。

圖8 金相組織分析

5 閥體內(nèi)部殘留物質(zhì)物相分析

宏觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)閥體內(nèi)外部存在不少沉積物，為了解殘留沉積物的成分及其可能對(duì)閥體裂紋產(chǎn)生的不良影響，從閥體內(nèi)外不同部位提取殘留物質(zhì)進(jìn)行X射線熒光分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 閥體殘留物質(zhì)物相分析結(jié)果 %

從閥體前后內(nèi)外部位提取沉積污垢樣進(jìn)行X射線熒光分析，結(jié)果顯示沉積污垢樣內(nèi)均含有K，Na，Cl，S等元素。由于閥體出現(xiàn)貫穿裂紋導(dǎo)致變換氣泄漏，而變換氣中含有Na，Cl，S等離子，因此造成了閥體外部沉積物污垢內(nèi)Na，S，Cl化合物濃度均比較高。Cl－和S是造成應(yīng)力腐蝕及連多硫酸腐蝕的重要因素［4－5］，Cl－和 S 主要來(lái)源于變換氣，K主要來(lái)源于外部環(huán)境。當(dāng)Cl－存在且材料受到拉應(yīng)力作用時(shí)極易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

微觀形貌分析中，圖7(a)，(d)，(e)有臺(tái)階狀特征和河流特征，斷口為穿晶解理斷裂，圖7(f)沿晶腐蝕形貌突出。均為Cl－應(yīng)力腐蝕的特征。

6 分析與討論

由于奧氏體不銹鋼為面心立方結(jié)構(gòu)，而面心立方結(jié)構(gòu)的金屬由于沒(méi)有可解離的晶面，因此僅僅在拉應(yīng)力的作用下不會(huì)發(fā)生解離斷裂，只有在應(yīng)力和特定介質(zhì)共同作用下的應(yīng)力腐蝕斷裂才會(huì)發(fā)生解離斷裂。此閥門(mén)在工作中承受內(nèi)壓，使得閥體主要受到拉應(yīng)力的作用，而變換氣由于處理工藝的原因，其不可避免地會(huì)帶入Cl－，在拉應(yīng)力和Cl－的共同作用下，發(fā)生了應(yīng)力腐蝕。

由于此閥門(mén)的裂紋主要出現(xiàn)在雙閘板密封環(huán)所在的進(jìn)出口直段與閥體內(nèi)壁相貫處，而此部位正是制造和使用時(shí)的應(yīng)力集中處，同時(shí)此處的幾何特征也使得Cl－容易在此處沉積，這多個(gè)條件的共同作用使閥體發(fā)生了應(yīng)力腐蝕。同時(shí)由于密封環(huán)是通過(guò)焊接的方法與閥體連接，因此在熱影響區(qū)會(huì)使碳化物沿晶界析出，這種敏化作用的結(jié)果就使熱影響區(qū)部位易發(fā)生沿晶斷裂特征的應(yīng)力腐蝕斷裂。

結(jié)合閥體使用工況及上述分析檢驗(yàn)結(jié)果，閥體產(chǎn)生裂紋的原因如下:

(1)Cl－和S導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是造成閥體產(chǎn)生裂紋的主要原因。

(2)閥體的鑄造缺陷嚴(yán)重，特別是材料晶粒大小不均勻問(wèn)題突出，加速了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展［6］。晶粒尺寸的差異致使閥體材料的力學(xué)性能劣化，而大尺度夾雜物的存在使材料的力學(xué)性能?chē)?yán)重降低，同時(shí)，加速了材料發(fā)生晶間及點(diǎn)腐蝕的可能性［7－8］。

(3)閥體所處的內(nèi)外介質(zhì)環(huán)境，K，Na，Cl的同時(shí)存在，在表面裂紋形成的情況下，加快了裂紋的擴(kuò)展。

7 預(yù)防措施

根據(jù)對(duì)閥體裂紋產(chǎn)生原因的分析可知，使用奧氏體不銹鋼無(wú)法從根本上消除材料的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂問(wèn)題。但采取以下相應(yīng)措施，可適當(dāng)延長(zhǎng)閥體的使用壽命:

(1)控制變換氣中的Cl－含量，防止Cl－在縫隙、污垢等處聚集;

(2)在鑄造過(guò)程中，考慮采用合理的工藝，以減少鑄造中可能產(chǎn)生的縮松、成分不均等缺陷，從而提高材料的力學(xué)性能及耐腐蝕性;

(3)優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免在密封環(huán)所在的進(jìn)出口直段與閥體內(nèi)壁相貫處產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

［1］GB/T 12230—2005，通用閥門(mén)不銹鋼鑄件技術(shù)條件［S］.

［2］高宗仁.世界不銹鋼耐熱鋼牌號(hào)手冊(cè)［M］.太原:山西科學(xué)技術(shù)出版社，2006:14－19.

［3］陳國(guó)楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對(duì)策手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:360.

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