異徑三通失效分析

何家勝 ，魏玉婷，余依倫，吳 其 ，胡潔文，羅 歡

武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，網(wǎng)管體系的建設(shè)，異徑三通成為網(wǎng)管中不可或缺的管道配件.現(xiàn)如今，三通管件的生產(chǎn)工藝大都采用鑄造、焊接和擠壓等成形工藝[1].鑄造、焊接存在生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等缺陷，雖然擠壓成形技術(shù)已經(jīng)普及，生產(chǎn)的產(chǎn)品強度高，塑性好，抗腐蝕能力強，但是由于三通主管和支管連接的圓角處存在應(yīng)力集中，對于三通的強度要求很高，失效問題依舊存在.本文具體分析了武漢市燃?xì)鉄崃こ坦咎峁┑娜〝嗉?，此三通用于輸送液態(tài)天燃?xì)?在安裝好并沒有投入使用就發(fā)生了斷裂,三通斷裂件如圖1所示.

圖1 斷裂三通

1 斷口情況分析

觀察三通斷裂宏觀情況，得出如下結(jié)論：

(1)從斷口宏觀情況觀察，斷裂之前材料沒有發(fā)生較大屈服變形，具有脆性斷裂特征；

(2)斷裂源在三通相貫區(qū)域附近，此處為應(yīng)力較大區(qū)域；

(3)在斷面上可明顯觀察到裂紋形成、擴(kuò)展及瞬時斷裂區(qū)域.在形成、擴(kuò)展區(qū)域中斷面為深褐色，而在瞬時斷裂面為白色，如圖2所示.

圖2 宏觀端口情況

2 有限元應(yīng)力分析

從斷口宏觀情況來看，三通是從外面開始產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂.現(xiàn)在用有限元分析方法來觀察三通整體的應(yīng)力分布情況[2-3]，觀察裂紋是否產(chǎn)生在三通的應(yīng)力最大點.用solidworks 軟件建立三通的幾何模型如圖3所示，將建好的幾何模型導(dǎo)入到workbench中做有限元分析.

圖3 三通幾何模型

在workbench中作有限元分析，施加力邊界條件和位移邊界條件[4-5].力邊界條件：三通承受內(nèi)壓，在此對三通主管和支管內(nèi)部加10 MPa的壓力，主管一端部加由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向載荷p=17.9 MPa；位移邊界條件：主管另一端加X方向的位移約束，支管端部固定Y方向位移約束.有限元模型如圖4所示.約束施加模型如圖5所示.

圖4 網(wǎng)格劃分模型

圖5 約束施加模型

有限元計算后，得到應(yīng)力分布圖如圖6所示，從應(yīng)力分布圖知，三通最大應(yīng)力點在三通肩部內(nèi)側(cè)，三通裂紋產(chǎn)生的點并不是應(yīng)力最大點,而是發(fā)生在三通應(yīng)力較大區(qū)，即三通主管和支管相貫區(qū)域附近.

圖6 應(yīng)力分布圖

3 檢測分析

3.1 斷裂三通材料化學(xué)成分檢測

將已斷三通材料取樣送往湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站運用化學(xué)法進(jìn)行化學(xué)成分檢測.

從表1中可以看到，三通材料中含C質(zhì)量分?jǐn)?shù)略大于標(biāo)準(zhǔn)要求，含Mn、Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)與標(biāo)準(zhǔn)值相比有較大差別，不符合0Cr18Ni9的國家標(biāo)準(zhǔn)要求.

根據(jù)對奧氏體不銹鋼中各元素的了解，發(fā)現(xiàn)隨著含碳量的增加，鋼的強度極限和硬度將不斷提高，而塑性和韌性將不斷降低.但當(dāng)含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.9%時，鋼的強度極限反而降低；而Cr元素的作用是防腐，在鋼中加入一定量的合金元素鉻，會使電極電位提高，即提高了不銹鋼的抗腐蝕能力；另外，鉻鎳不銹鋼在500 ℃～800 ℃范圍容易引起晶間腐蝕，這種腐蝕主要是由于晶界上析出碳化物，形成碳化鉻使晶界附近的鉻含量降低到低于抗腐蝕所需要的最小含量以下，從而使腐蝕集中在晶界附近的貧鉻區(qū)，晶間腐蝕容易造成脆性破壞.為了防止晶間腐蝕，在鋼中加入與碳親和力更強的的Ni元素以形成穩(wěn)定的碳化鎳，把碳穩(wěn)定住，從而防止碳與鉻形成碳化鉻，可以減少晶間腐蝕的傾向.

表1顯示的三通材料元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)中，Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)卻有所增加，導(dǎo)致Ni不足以保護(hù)Cr，從而使部分Cr與C發(fā)生反應(yīng)，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，不能保證該材料的防腐效果，容易致使晶間腐蝕，從而形成裂紋.

3.2 斷裂三通材料硬度分析

對斷裂三通材料取樣，在斷裂部位附近進(jìn)行硬度測試.其HRC硬度值分別為36.7，37.1，37.4.

根據(jù)ASTM-E140《金屬標(biāo)準(zhǔn)硬度換算表》37HRC相當(dāng)于363HV或344HBW.根據(jù)國標(biāo)GB14975-2012表4對于S30438(S30408，0Cr18Ni9)的鋼管其硬度值應(yīng)小于192HBW或200HV，而本斷裂三通的硬度為HRC37，相當(dāng)于344HBW，363HV，不符合國標(biāo)要求.根據(jù)材料性能知道，硬度變大，會導(dǎo)致材料韌性下降.

3.3 斷裂三通金相組織分析

經(jīng)檢測，該三通金相組織為奧氏體+鐵素體，晶粒度為8級，有氧化物夾雜存在.

3.4 端口微區(qū)形貌掃描電鏡分析及微區(qū)元素能譜分析

為了進(jìn)行斷口微區(qū)形貌分析及成分分析，在已斷三通上取試樣，如圖7所示.

圖7 斷口微區(qū)檢測試樣圖

從圖7可見，在A-A處存在著沿軸向的徑向穿透的裂紋.橫截面上1、6、7號點位于瞬時斷裂區(qū)域內(nèi)，而2、3、4、8號點位于裂紋形成、擴(kuò)展區(qū)內(nèi)，5號點位于裂紋形成、擴(kuò)展區(qū)域和瞬時斷裂面的交界處.

斷口微區(qū)形貌掃描電鏡分析及微區(qū)元素能譜分析如下：1號點微觀形貌圖如圖8所示；2號點微觀形貌圖如圖9所示，能譜分析圖如圖10所示；3號點微觀形貌圖如圖11所示，能譜分析圖如圖12所示；4號點微觀形貌圖如圖13所示；5號點微觀形貌圖如圖14所示，能譜分析圖如圖15所示；6號點微觀形貌圖如圖16所示，能譜分析圖如圖17所示；7號點微觀形貌圖如圖18所示，能譜分析圖如圖19所示；8號點微觀形貌圖如圖20所示，能譜分析圖如圖21所示.

圖8 1號點微觀形貌圖

圖9 2號點微觀形貌圖

圖10 2號點能譜分析圖

圖11 3號點微觀形貌圖

圖12 3號點能譜分析圖

注：Cl和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.95%和0.29%.

圖13 4號點微觀形貌圖

圖14 5號點微觀形貌圖

圖15 5號點能譜分析圖

注：Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.57%.

圖16 6號點微觀形貌圖

注：Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.74%.

圖19 7號點能譜分析圖

注：Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.57%.

圖20 8號點微觀形貌圖

圖21 8號點能譜分析圖

注：Cl和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.87%和0.34%

從微區(qū)形貌中可見，在深褐色區(qū)域中的2、3、4、8點，存在著明顯的晶間裂紋和開裂現(xiàn)象，其能譜分析中發(fā)現(xiàn)Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，且有Cl元素存在.由能譜和微觀形貌圖可以看出，該斷裂為應(yīng)力腐蝕開裂.

特定的金屬材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕介質(zhì)作用下引起金屬開裂的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂.它是一種低應(yīng)力脆斷破壞，只要環(huán)境介質(zhì)滿足要求，很小的應(yīng)力或很弱的環(huán)境介質(zhì)就可造成連續(xù)迅速的破壞事故.氯離子極易引起奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕.

而在6、7點，其微區(qū)形貌具有明顯脆性解理斷裂特征，其能譜分析中沒有發(fā)現(xiàn)Cl元素.

A-A截面斷口微區(qū)形貌及能譜分析如下：斷口情況如圖22所示.9號點微觀形貌圖如圖23所示，能譜分析圖如圖24所示；10號點微觀形貌圖如圖25所示；11號點微觀形貌圖如圖26所示.

圖22 A-A截面斷口圖

圖23 9號點微觀形貌圖

圖24 9號點能譜分析圖

注：Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.07%.

圖25 10號點微觀形貌圖

圖26 11號點微觀形貌圖

在9、10、11號點，其微區(qū)形貌顯示脆性斷裂特征，具有晶間裂紋及擴(kuò)展情況.在9號點的微區(qū)成分分析中未發(fā)現(xiàn)Cl元素，含Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%.從微區(qū)形貌中可以看到較大的垂直于A-A的裂紋存在.

4 結(jié) 語

a.綜合分析結(jié)果顯示，三通產(chǎn)生斷裂的點并不是三通應(yīng)力最大點的位置，且沒有明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征，所以并不是因為在載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力過大而導(dǎo)致的斷裂.

b.從化學(xué)法所做的化學(xué)元素分析和能譜分析儀所做的微區(qū)元素分析可知，此三通材料Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.05%，不滿足國標(biāo)Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于8%的要求.在三通管件進(jìn)行焊接加工時，焊接熱影響區(qū)過飽和的碳會從奧氏體中析出，形成碳化鉻.本例事故中 Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足，碳化鉻的形成使得很多晶界處成了極端貧鉻區(qū)，這些區(qū)域在一定的介質(zhì)條件下會產(chǎn)生晶間腐蝕，產(chǎn)生晶間裂紋，使不銹鋼材料的性能下降，特別是防止電化學(xué)腐蝕的能力大大下降.

c.從微區(qū)能譜分析可知，由于三通所處環(huán)境的影響，在斷裂處發(fā)現(xiàn)有Cl離子的存在，根據(jù)奧氏體不銹鋼的性能特征，有Cl離子存在且受拉應(yīng)力的條件下，一定會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.本文三通材料由于敏化效應(yīng)，使得材料的韌性下降，隨著Cl離子的入侵，會形成應(yīng)力腐蝕開裂，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋尺寸增大，最后發(fā)生瞬時斷裂，本次三通斷裂的情況正是如此.

致 謝

本論文的順利完成得到了湖北省冶金產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站與武漢工程大學(xué)材料檢測中心的大力支持，在此表示衷心的感謝！

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