液氧增壓氣體閥門肩圈的裂紋理化特性分析

秦永濤，高 強(qiáng)，武榮艷，楊戰(zhàn)偉，田寶云

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

某試驗(yàn)區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)前，氣瓶場(chǎng)輸送液氧、煤油增壓氣過(guò)程中，崗位人員發(fā)現(xiàn)液氧系統(tǒng)增壓氣體送出約10 min后，液氧增壓氣送出閥(AS7901-2015)附近有明顯漏氣聲音。經(jīng)檢查，確定漏氣部位為液氧增壓氣送出閥出口法蘭連接部位。經(jīng)拆卸，液氧增壓氣送出閥出口法蘭連接部位出現(xiàn)裂紋，其具體位置為閥門出口連接管道肩圈復(fù)雜的直邊段與小R過(guò)渡區(qū)，如圖1所示。

圖1 閥門肩圈連接端出現(xiàn)的裂紋Fig.1 Flaw at valve shoulder ring connection end

閥門出口連接管道肩圈裂紋主要分布在肩圈錐面向直管段過(guò)渡部位，并且存在大面積生銹現(xiàn)象。同時(shí)肩圈裂紋出現(xiàn)了擴(kuò)展，裂紋延伸近一周，隨時(shí)有斷裂可能。由于其內(nèi)部高壓（20 MPa），附近有崗位人員，一旦出現(xiàn)裂紋斷裂，不僅影響到液氧增壓氣供應(yīng)，以及試驗(yàn)進(jìn)度，可能出現(xiàn)高壓泄漏甚至發(fā)生爆炸，嚴(yán)重影響崗位人員生命安全，存在嚴(yán)重安全隱患。

出現(xiàn)故障閥門型號(hào)為AS7901-2015，產(chǎn)品附件包含肩圈和法蘭，啟用于2004年10月。目前試驗(yàn)區(qū)有6臺(tái)該型號(hào)產(chǎn)品，4臺(tái)在用，分別用在氣瓶場(chǎng)和配氣間。為消除同批次閥門肩圈安全隱患，預(yù)防其他設(shè)備連接件可能發(fā)生的故障，需查找并確定肩圈出現(xiàn)裂紋的根源，分析肩圈斷裂的內(nèi)在機(jī)理；并在此基礎(chǔ)上，制定使用過(guò)程的防范措施，保證增壓設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行和試驗(yàn)進(jìn)度，提高試驗(yàn)系統(tǒng)安全性與可靠性。

1 破壞機(jī)理調(diào)查分析

由于該肩圈為外購(gòu)產(chǎn)品，生產(chǎn)單位發(fā)生變遷，無(wú)法找到其相關(guān)出廠資料，不能確定材料類型與加工工藝。為了確定肩圈發(fā)生裂紋的原因，首先從基體材料入手調(diào)查，為此將出現(xiàn)裂紋的閥門肩圈送計(jì)量理化室進(jìn)行理化分析。

1.1 宏觀觀察

通過(guò)對(duì)出現(xiàn)裂紋的肩圈分解的宏觀觀察，肩圈身部變徑位置附近發(fā)生整周開(kāi)裂，裂紋表面呈多條斷續(xù)狀，型貌如圖2所示。沿裂紋掰開(kāi)斷面觀察，裂紋已幾乎穿透管壁，整個(gè)斷口呈黃褐色，如圖3所示。

圖2 肩圈裂紋表面型貌Fig.2 Surface morphology of shoulder ring flow

圖3 肩圈裂紋的斷面Fig.3 Section morphology of shoulder ring flow

沿裂紋出現(xiàn)方位將肩圈切開(kāi)，得到裂紋表面圖像，如圖4所示。由圖4可以看出，裂紋部位已經(jīng)出現(xiàn)大面積銹蝕，且表面凹凸不平，不規(guī)則。但是材料疲勞斷口型式較為平滑，因此可排除疲勞破壞的可能性。

圖4 裂紋肩圈切開(kāi)狀態(tài)Fig.4 Section situation of shoulder ring with flow

1.2 材質(zhì)分析

1.2.1 化學(xué)成分分析

通過(guò)理化分析，得出送檢裂紋肩圈主要材料成分及含量，如表1所示。

通過(guò)分析對(duì)比，該肩圈材料成分及含量與2Cr18Ni9相近。因此，初步判斷其材質(zhì)為2Cr18Ni9。

表1 送檢出現(xiàn)裂紋的閥門肩圈主要材料成分及含量Tab.1 Main material composition of shoulder ring with flow at inspection

1.2.2 金相組織檢查

通過(guò)掃描電鏡放大觀察，肩圈裂紋源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)斷口可見(jiàn)泥紋狀花紋，呈腐蝕形貌特征如圖5和圖6所示。

肩圈裂紋起源與外表面，呈多源特征，絕大部分?jǐn)嗫跒榱鸭y擴(kuò)展區(qū)，僅內(nèi)表面附近存在小部分瞬斷區(qū)。斷口呈脆性特征，可見(jiàn)放射性條紋。肩圈裂紋剖面金相觀察，裂紋呈曲折沿晶擴(kuò)展特征，并存在分叉擴(kuò)展特征，主裂紋附近可見(jiàn)沿晶腐蝕裂紋萌生及晶粒剝落特征。裂紋附近及其基材組織未見(jiàn)明顯差異，均為等軸奧氏體組織，晶粒度評(píng)級(jí)為6級(jí)。

圖5 裂紋源區(qū)斷口腐蝕形貌Fig.5 Fracture corrosion morphology in flaw source zone

圖6 裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口腐蝕形貌Fig.6 Fracture corrosion morphology in flaw expansion zone

應(yīng)力腐蝕裂紋特征：

1）腐蝕介質(zhì)作用，斷口表面顏色呈黑色或灰黑色；

2）應(yīng)力腐蝕有穿晶斷裂、晶間型斷裂、穿晶與晶間混合型斷裂；

3）晶間斷裂呈冰糖塊狀；穿晶斷裂具有河流花樣等特征；

4）微斷口上往往可見(jiàn)腐蝕坑及二次裂紋；

5）裂紋走向與主拉伸應(yīng)力的方向垂直。

理化分析結(jié)論：由于開(kāi)裂后的裂紋含有豐富的二次微裂紋、黃褐色、河流花樣、與主拉伸應(yīng)力的方向垂直等特征，為典型的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂所致[1-4]。裂紋屬于應(yīng)力腐蝕性質(zhì)。經(jīng)理化分析，可以得出肩圈裂紋出現(xiàn)的主要原因?yàn)閼?yīng)力腐蝕。

2 應(yīng)力腐蝕成因分析

設(shè)備的應(yīng)力腐蝕及其造成的破裂是最常見(jiàn)、危害最大的一種。它的破壞常常是無(wú)先兆的，其發(fā)展速度可達(dá)孔蝕發(fā)展速度的數(shù)百萬(wàn)倍。一般都是先出現(xiàn)微小的裂紋，然后迅速擴(kuò)展，直至破裂，造成設(shè)備滲漏或受壓設(shè)備發(fā)生爆炸[5-7]。為了確定肩圈出現(xiàn)裂紋的根源，避免試驗(yàn)隱患，在此需要進(jìn)一步分析肩圈應(yīng)力腐蝕的成因，探索試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)力腐蝕破裂的影響因素和開(kāi)裂機(jī)理，找出試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)力腐蝕的防護(hù)對(duì)策，尋求保護(hù)設(shè)備的有效方法。這樣，可以延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，提高試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性與可靠性。

由于應(yīng)力腐蝕是在應(yīng)力作用下，環(huán)境成分對(duì)材料引起的腐蝕破壞，其包括內(nèi)因（應(yīng)力作用）與誘因（腐蝕環(huán)境），需要內(nèi)外結(jié)合，進(jìn)行綜合分析。

2.1 材料問(wèn)題

2Cr18Ni9含碳量較高，其材料的抗開(kāi)裂能力或不敏感性較差，從而容易引起應(yīng)力腐蝕。

2.2 加工工藝

肩圈加工一般采用冷沖壓加工。按照ASME-HA--44規(guī)定,對(duì)304材料的不銹鋼封頭可按式 (1)計(jì)算最大纖維伸長(zhǎng)率。如最大纖維伸長(zhǎng)率不小于22%,在封頭成型后需進(jìn)行固溶處理[8-9]。肩圈纖維伸長(zhǎng)率按下式計(jì)算:

式中：ψ為最大纖維伸長(zhǎng)率，%；t為成型前板的公稱厚度，mm；Rf為成型后的平均半徑，mm；R0為初始半徑 (對(duì)平板為無(wú)窮大)，mm。

由于該肩圈無(wú)相關(guān)出廠資料，故不能確認(rèn)該肩圈相關(guān)成型前板尺寸，不能確認(rèn)是否低于ASME標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求,不能確認(rèn)是否進(jìn)行過(guò)固溶處理。

由于肩圈一般采用冷沖壓成型，因此加工過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力和冷作硬化。沖壓肩圈不同部位成型后的殘余應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜,其性質(zhì)及大小難于進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。定性的說(shuō),冷成型肩圈的直邊段殘余應(yīng)力性質(zhì)是環(huán)向壓應(yīng)力與軸向拉應(yīng)力,而軸向應(yīng)力高于環(huán)向應(yīng)力。因此，在冷成型肩圈直邊段一般不會(huì)出現(xiàn)由環(huán)向壓應(yīng)力引發(fā)的軸向開(kāi)裂,而容易出現(xiàn)由軸向應(yīng)力而導(dǎo)致的徑向開(kāi)裂。肩圈開(kāi)裂部位位于肩圈形變最大、受力最為復(fù)雜的直邊段與小R過(guò)渡區(qū)，其裂紋為縱向分布，如圖7所示。

圖7 肩圈的縱向裂紋Fig.7 Longitudinal crack of shoulder ring

由圖7可見(jiàn)，肩圈裂紋為縱向裂紋，是由軸向應(yīng)力引起的。肩圈裂紋一般以殘余應(yīng)力為主，約占事故的80%左右。因此,肩圈應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力主要來(lái)自于肩圈在冷成型過(guò)程中形成的軸向應(yīng)力[10]。

2.3 硬度檢測(cè)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)封頭及肩圈進(jìn)行了硬度測(cè)量，裂紋附近硬度164 HB，基體硬度175 HB。對(duì)于材質(zhì)為2Cr18Ni9的奧氏體不銹鋼材料，標(biāo)準(zhǔn)硬度為200～210 HB。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)可知,肩圈硬度在正常范圍，可以排除肩圈在加工過(guò)程中已產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象。

2.4 能譜分析

采用掃描電子顯微鏡對(duì)肩圈開(kāi)裂斷面周圍和裂紋尖端周圍的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，獲得能譜分析圖。經(jīng)肩圈裂紋腐蝕產(chǎn)物能譜分析，其主要成分含F(xiàn)e，Ni，C，O，Si，K及Mn元素，未出現(xiàn)CL離子。由于氯離子必須大于25 ppm，才容易發(fā)生材料應(yīng)力腐蝕，因此可以排除氯離子引起的肩圈材料應(yīng)力腐蝕。

2.5 鐵素體測(cè)量

根據(jù)能譜分析,肩圈裂紋處其鐵素體含量正常。因此,可以肩圈在加工過(guò)程中出現(xiàn)了沒(méi)有形變誘導(dǎo)馬氏體,由此可知其材料組織性能無(wú)變化，其鋼材強(qiáng)度和硬度正常,塑性和抗腐蝕性能正常。同時(shí)金相分析裂紋附近及其基材組織未見(jiàn)明顯差異，均為等軸奧氏體組織相符合。

2.6 焊接殘余應(yīng)力

對(duì)于奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō),其線膨脹系數(shù)大而熱導(dǎo)率小,必然在焊接接頭產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,尤其在焊接熱影響區(qū)薄弱地帶。如果焊接過(guò)程中熱輸入過(guò)高、層間溫度控制不當(dāng),則會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)晶粒粗大,在高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生α脆性相。

由于金相分析裂紋附近及其基材組織未見(jiàn)明顯差異，均為等軸奧氏體組織，因此可以排除焊接殘余應(yīng)力影響，沒(méi)有受到焊接熱影響區(qū)的影響。

2.7 工作中的應(yīng)力

肩圈在使用過(guò)程溫度變化不大，因溫度逐步降低而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力可以排除。肩圈承受內(nèi)壓而產(chǎn)生的一次薄膜應(yīng)力,開(kāi)裂部位在壓力作用下因強(qiáng)度不均勻、形狀突變而產(chǎn)生的二次薄膜應(yīng)力及邊緣應(yīng)力等諸多應(yīng)力的疊加是造成應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的誘因。

基于有限元分析方法，采用Ansys軟件，對(duì)內(nèi)應(yīng)力30 MPa下的受力以及變形進(jìn)行了仿真分析，其肩圈受力與變形如圖8所示。

通過(guò)肩圈工作壓力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，內(nèi)壓30 MPa下，其最大軸向拉力128.35 MPa，小于材料許用應(yīng)力144 MPa。同時(shí)焊縫處為78.14 MPa，小于焊縫許用應(yīng)力86.4 MPa（2Cr18Ni9屈服極限為216 MPa，焊縫許用應(yīng)力系數(shù)取0.6），可以得出內(nèi)應(yīng)力不是導(dǎo)致其破壞的主要原因。

圖8 肩圈工作壓力下受力情況Fig.8 Forced situation of shoulder ring at work stress

同時(shí)采用《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范

SH/T3059-2011》，其許用最小壁厚為：

式中：t為管道壁厚；p為工作（設(shè)計(jì)）壓力；D為管道直徑，[σ]為管道材料許用應(yīng)力；Y為焊縫接頭強(qiáng)度降低系數(shù)；W為溫度對(duì)壁厚修正系數(shù)。壁厚9.62×1.3（余量）=12.5 mm。根據(jù)實(shí)際肩圈厚度為16 mm，完全滿足其設(shè)計(jì)壓力。得出其在10 MPa下壁厚在3.46 mm以上，因此可以得出，內(nèi)應(yīng)力不是導(dǎo)致其破壞的主要原因。

2.8 腐蝕介質(zhì)因素

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境總是存在特定腐蝕介質(zhì),這種腐蝕介質(zhì)一般都很弱,如果沒(méi)有應(yīng)力的同時(shí)作用,材料在這種介質(zhì)中腐蝕速度很慢。從目前能查取到的文獻(xiàn)當(dāng)中可知,對(duì)奧氏體不銹鋼有腐蝕性的介質(zhì)有氯化物水溶液、海水、海洋大氣、高溫水、潮濕空氣 (濕度90%)、熱NaCl、H2S水溶液、嚴(yán)重污染的工業(yè)大氣、二氧化碳?xì)怏w及氟化氫氣體等。

2.8.1 CL離子

根據(jù)能譜分析，未出現(xiàn)CL離子，因此可以排除氯離子對(duì)材料的應(yīng)力腐蝕（氯離子必須大于25 ppm）。

2.8.2 溶解氧

根據(jù)能譜分析，裂紋附近出現(xiàn)較多氧離子。由于在中性環(huán)境中溶解氧或有其他氧化劑的存在是引起應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件。溶液中溶解氧增加，應(yīng)力腐蝕破裂就越容易。

2.8.3 H2S水溶液

Fe在硫化氫腐蝕下失去電子變?yōu)榱蚧瘉嗚F，使金屬表面形成小缺陷，或在劃傷、焊縫咬邊處被腐蝕，形成腐蝕開(kāi)裂源。

H2S在濕環(huán)境中發(fā)生電離:

金屬腐蝕生成的氫如果被金屬吸收，產(chǎn)生氫應(yīng)變鐵素體或高活化氫化物，使金屬材料脆化而容易出現(xiàn)裂紋，并沿氫脆部位向前擴(kuò)展，從而容易導(dǎo)致破裂。

2.8.4 其他

潮濕空氣 (濕度90%)、二氧化碳?xì)怏w及氟化氫氣體可能也對(duì)肩圈形成了應(yīng)力腐蝕介質(zhì)。

綜上所述,材料特性是應(yīng)力腐蝕的基礎(chǔ)，腐蝕應(yīng)力來(lái)自肩圈成型應(yīng)力，是產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因,加上運(yùn)行過(guò)程內(nèi)應(yīng)力,2個(gè)應(yīng)力疊加使肩圈形變最大、受力最為復(fù)雜的直邊段與小R過(guò)渡區(qū)部位存在很大的軸向應(yīng)力。在2種應(yīng)力共同作用下，受外界腐蝕環(huán)境H2S水溶液等影響，使材料塑性儲(chǔ)備不足,導(dǎo)致與軸向應(yīng)力垂直方向發(fā)生脆性開(kāi)裂。因此，肩圈裂紋開(kāi)裂的主因?yàn)椴牧媳旧斫M織性能，內(nèi)因?yàn)榧缛Τ尚洼S向應(yīng)力與外因?yàn)楦g介質(zhì)，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，從而出現(xiàn)裂紋。

3 防范措施

3.1 材料選擇

避免使用2Cr18Ni9材料，盡量選用低合金鋼或雙相鋼，例如0Cr18Ni9。通過(guò)提高材料鈍性的合金元素（如鎳、鉻和鉬）的含量，降低含碳量，提高材料的抗開(kāi)裂能力或不敏感性。為此選擇閥門肩圈應(yīng)嚴(yán)格控制材料，加工單位必須出具材料清單等相關(guān)資料。

3.2 工藝檢測(cè)

應(yīng)按照規(guī)定，改善成型工藝,避免產(chǎn)生嚴(yán)重的冷作硬化現(xiàn)象，嚴(yán)格執(zhí)行固溶處理等工藝,以消除封頭冷沖壓過(guò)程中的冷加工殘余應(yīng)力。如無(wú)，需要作特殊說(shuō)明，規(guī)定工作介質(zhì)、設(shè)計(jì)溫度及運(yùn)行工況，并增加消除冷作應(yīng)力的措施，減小冷加工殘余應(yīng)力。同時(shí)配置加工工藝表，以便使用與維修檢查。

3.3 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)時(shí)必須避免氯離子超標(biāo)（25 PPM），以及H2S水溶液，并且及時(shí)進(jìn)行干燥處理，并出具水壓水質(zhì)報(bào)告。

3.4 硬度檢測(cè)

可以采用便攜式硬度計(jì)，測(cè)試肩圈過(guò)渡部位硬度，制定規(guī)范的硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，例如（0Cr18Ni9硬度為HBW201，HRB92及HV210）。同時(shí)需要檢測(cè)材料的組織性能是否變化，為判斷其出現(xiàn)裂紋提供依據(jù)。

3.5 焊接使用

焊接過(guò)程中,必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入及層間溫度,避免焊縫及熱影響區(qū)在450°～850°停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

3.6 使用環(huán)境

使用過(guò)程中,必須避免鐵離子污染,可以使用緩蝕劑進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)行表面防銹處理。同時(shí)避免焊縫及母材表面劃痕、電弧擦傷、咬邊等引起缺口效應(yīng)的缺陷，以及安裝拆卸必須合理正確。

3.7 定期檢查

制定崗位責(zé)任人制，定期檢查肩圈使用情況，如進(jìn)行放大鏡檢查、著色檢查。對(duì)于發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)整改，消除隱患。

4 結(jié)論

為了分析某試驗(yàn)區(qū)液氧系統(tǒng)增壓氣體閥門肩圈工作過(guò)程出現(xiàn)的裂紋機(jī)理與原因，保證氣體供應(yīng)正常，對(duì)出現(xiàn)裂紋的肩圈進(jìn)行理化分析。以材料成分、斷口宏觀觀察、化學(xué)成分、金相組織檢查、力學(xué)性能、能譜分析等為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元的應(yīng)力計(jì)算，分析了應(yīng)力腐蝕的主要原因和誘導(dǎo)原因，闡明了肩圈斷裂的內(nèi)在機(jī)理；并在此基礎(chǔ)上，制定了使用過(guò)程的防范措施，確保使用過(guò)程的肩圈性能，杜絕其他在用設(shè)備安全隱患，為保證試驗(yàn)設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行和可靠性奠定了基礎(chǔ)。

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