波形膨脹節(jié)開裂的失效分析

孔令雷 聞 強(qiáng)

（化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心)（安徽昊源化工集團(tuán)有限公司）

波形膨脹節(jié)開裂的失效分析

孔令雷*聞 強(qiáng)

（化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心)（安徽昊源化工集團(tuán)有限公司）

分析了304不銹鋼波形膨脹節(jié)開裂的原因，并采取有效措施預(yù)防惡性事故的發(fā)生。通過理化分析發(fā)現(xiàn)，304奧氏體不銹鋼在冷加工成形時(shí)會(huì)發(fā)生馬氏體相變；在開、停車情況下或保溫不良時(shí)會(huì)形成濕硫化氫環(huán)境，因此含形變馬氏體的304奧氏體不銹鋼會(huì)發(fā)生濕硫化氫引起的氫致開裂 （HIC）或應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂 （SOCHIC），當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)便會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆斷。

304不銹鋼 亞穩(wěn)態(tài) 馬氏體相變 濕硫化氫 氫致開裂 波形膨脹節(jié)

某集團(tuán)化工企業(yè)使用的材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼的管道膨脹節(jié)，從2004年至今發(fā)生了多次開裂、炸裂事故。有的膨脹節(jié)使用時(shí)間稍長(zhǎng)，達(dá)10年，有的使用時(shí)間很短，僅為3個(gè)月。部分膨脹節(jié)的事故情況如表1所示。

受該企業(yè)委托，化學(xué)工業(yè)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)其中一件膨脹節(jié)進(jìn)行了取樣分析，取樣部位包含開裂部位。該膨脹節(jié)于2009年1月投用，2009年4月發(fā)生開裂泄漏，導(dǎo)致系統(tǒng)停車檢修，并更換了該膨脹節(jié)。本次失效分析從外觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、鐵素體測(cè)定、硬度測(cè)定、材料成分分析、金相檢驗(yàn)等幾個(gè)方面入手，討論開裂的原因并提出了檢驗(yàn)及預(yù)防措施。

1 外觀檢驗(yàn)和材料成分分析

樣品外表面呈鐵銹色，內(nèi)表面呈銀白色；樣品斷面厚度基本無變化；樣品有強(qiáng)烈的磁性；樣品上可見一條主要裂紋，其內(nèi)表面裂紋長(zhǎng)度70 mm，外表面裂紋長(zhǎng)度55 mm，顏色發(fā)黑，初步判斷該裂紋由內(nèi)表面產(chǎn)生，擴(kuò)展至外表面。

采用便攜式合金分析儀，在樣品內(nèi)外表面各分析2點(diǎn)，分析前先將分析部位處理干凈。分析所得數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可見，分析結(jié)果是樣品元素含量與標(biāo)稱材質(zhì)304元素含量相符。

表1 膨脹節(jié)歷次開裂、炸裂事故一覽表

表2 材料成分分析結(jié)果

2 壁厚測(cè)定

采用超聲波測(cè)厚儀，在樣品上按周向等距測(cè)定3個(gè)截面，每個(gè)截面的測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。測(cè)厚所得數(shù)據(jù)如表3所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)位置

表3 厚度測(cè)定結(jié)果 （mm）

測(cè)厚結(jié)論：波峰部位厚度輕微減薄，系制造成形所致；膨脹節(jié)在開裂前未發(fā)生明顯的塑形變形，斷裂為脆性斷裂。

3 鐵素體測(cè)定

采用便攜式鐵素體測(cè)定儀，在樣品上按周向等距測(cè)定3個(gè)截面，每個(gè)截面測(cè)點(diǎn)位置按圖1所示；測(cè)得的鐵素體含量范圍為35%～52%，說明樣品的金相組織已非正常的奧氏體組織。正常的304奧氏體不銹鋼鐵素體含量很低，一般不大于5%。

結(jié)論：該樣品金相組織中含有大量的鐵素體或馬氏體組織。

4 硬度測(cè)定

采用便攜式硬度測(cè)定儀，在樣品上按周向等距測(cè)定3個(gè)截面，每個(gè)截面測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。硬度測(cè)定所得數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 硬度測(cè)定結(jié)果 （HB）

結(jié)論：樣品硬度范圍遠(yuǎn)大于正常304奧氏體不銹鋼硬度范圍（一般不大于HB200）；產(chǎn)生這種變化一般有兩種可能，一是波形膨脹節(jié)在冷加工時(shí)產(chǎn)生加工硬化，二是在使用過程中金相組織發(fā)生劣化。

5 金相分析

采用便攜式現(xiàn)場(chǎng)金相分析儀進(jìn)行金相分析，內(nèi)表面裂紋部位及完好部位各分析1點(diǎn)，膨脹節(jié)裂紋形貌和金相組織如圖2～圖5所示。

金相分析結(jié)論：經(jīng)微觀金相觀察分析，樣品顯微組織形態(tài)為奧氏體晶粒上析出板條狀的馬氏體，馬氏體含量約占30%～50%；裂紋形態(tài)為沿晶裂紋。

圖2 膨脹節(jié)裂紋形貌（100×）

圖3 膨脹節(jié)裂紋形貌（40×）

圖4 膨脹節(jié)金相組織（100×）

圖5 膨脹節(jié)金相組織（400×）

6 失效原因分析

304不銹鋼為奧氏體類不銹鋼，一般金相組織為單相奧氏體。但國內(nèi)外材料研究人員發(fā)現(xiàn)，304不銹鋼的奧氏體組織是亞穩(wěn)態(tài)的，在冷變形時(shí)會(huì)造成馬氏體的相變。變形量越大，產(chǎn)生的形變馬氏體就越多。形變馬氏體有鐵磁性，硬而且脆。另外，焊接及其他熱加工工藝會(huì)造成晶界貧鉻，促使馬氏體相生成，但僅限于焊縫及熱影響區(qū)或加熱部位，且含量一般較低。因此樣品中的馬氏體組織應(yīng)是在膨脹節(jié)冷加工成形過程中產(chǎn)生的，含量30%～50%，且為板條狀。馬氏體組織強(qiáng)度和硬度要遠(yuǎn)高于奧氏體組織，但塑性和韌性很低，在應(yīng)力集中部位，例如膨脹節(jié)波峰附近，有可能發(fā)生脆斷。

由于工作介質(zhì)中含有硫化氫和蒸汽，在開、停車或外部保溫不良時(shí)，蒸汽會(huì)在304材料內(nèi)壁形成冷凝水，介質(zhì)中的硫化氫溶解后形成濕硫化氫環(huán)境。含形變馬氏體的304奧氏體不銹鋼在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中發(fā)生濕硫化氫引起的氫致開裂 （HIC）或應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂 （SOCHIC）。形變馬氏體一般為裂紋源，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到某一臨界尺寸時(shí)便發(fā)生了低應(yīng)力脆斷型的開裂或炸裂。所以，奧氏體組織中含有較高馬氏體相是膨脹節(jié)開裂的直接原因。

7 預(yù)防失效措施

（1）對(duì)于奧氏體不銹鋼制膨脹節(jié)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求冷成形后不需進(jìn)行熱處理；熱成形的，需進(jìn)行固溶處理，并在需要時(shí)加做穩(wěn)定化處理；但對(duì)亞穩(wěn)態(tài)的304不銹鋼制膨脹節(jié)最好增加固溶處理和穩(wěn)定化處理，這一點(diǎn)在訂貨時(shí)應(yīng)提出要求，尤其是可能在濕硫化氫條件下使用的膨脹節(jié)。產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)應(yīng)對(duì)磁性、硬度進(jìn)行檢查，產(chǎn)品應(yīng)無磁性，硬度一般要求≤HB200。

（2）使用中應(yīng)盡量避免產(chǎn)生濕硫化氫環(huán)境，如加強(qiáng)膨脹節(jié)外部保溫，開、停車時(shí)介質(zhì)置換充分、升溫充分等。

（3）加強(qiáng)定期檢驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，避免嚴(yán)重事故發(fā)生。

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Analysis on Cracking Failure of the Bellows Expansion Joint

Kong LingleiWen Qiang

The reason for the cracking failure of bellows expansion joint was analyzed and effective precautions were proffered.Through physical and chemical properties analysis,it is found that the martensite phase transformation occurred in the matrix of 304 austenitic stainless steel during the cold forming.Under the condition of machine switching on and off or poor heat preservation,a wet hydrogen sulfide corrosion environment was formed, giving rise to hydrogen-induced cracking (HIC)or stress-oriented hydrogen-induced cracking (SOCHIC)which leaded to low stress brittle fractures when the cracks propagated to the critical sizes.

304 stainless steel;Metastable state;Martensite phase transformation;Wet hydrogen sulfide; Hydrogen-induced cracking;Bellows expansion joint

TQ 050.3

2014-03-14）

*孔令雷，男，1973年生，高級(jí)工程師。南京市，210036。