某69111半奧氏體不銹鋼高壓氣瓶開裂失效分析

萬 斌

(上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200232)

?

某69111半奧氏體不銹鋼高壓氣瓶開裂失效分析

萬 斌

(上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200232)

摘要：某69111半奧氏體不銹鋼高壓氣瓶點火時發(fā)生漏氣，從鋼瓶宏觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織、硬度等方面分析了氣瓶失效的原因。結(jié)果表明：失效不是材料質(zhì)量問題造成的；氣瓶開裂部位斷口平整，無明顯塑性變形，氣瓶外表面的腐蝕物及斷面可檢出大量氯元素，說明氣瓶開裂為應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;高壓氣瓶;理化檢測;應(yīng)力腐蝕開裂

某型號氣源裝置的69111半奧氏體沉淀硬化不銹鋼氣瓶在濕熱試驗點火時發(fā)生漏氣。氣瓶濕熱試驗過程為充氣(65 MPa)→振動→沖擊→高低溫存儲→濕熱→點火。為避免氣瓶再次發(fā)生漏氣，對失效氣瓶進行了各項理化檢測，并分析了失效的原因。

1理化檢驗

1.1宏觀形貌觀察

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)失效氣瓶瓶體表面存在細小裂紋，裂紋附近有黃色銹蝕痕跡，位置及形貌分別如圖1,圖2所示。

1.2化學(xué)成分分析

在失效氣瓶裂紋附近取樣，用ICP7510型等離子發(fā)射光譜進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明所用材料成分符合要求。

圖1　失效氣瓶裂紋位置Fig. 1　Locations of cracks in the failure vessel

1.3金相觀察

在失效氣瓶裂紋附近取樣，用DMI5000型光學(xué)顯微鏡進行組織觀察。由圖3可知,失效氣瓶的顯微組織為馬氏體+殘余奧氏體+沉淀相+δ鐵素體，屬正常時效狀態(tài)組織。

圖2　失效氣瓶裂紋宏觀形貌Fig. 2　Macrograph of cracks in the failure vessel

%

圖3　失效氣瓶的顯微組織(×100)Fig. 3　Microstructure of the failure vessel

1.4硬度測試

在失效氣瓶裂紋附近及遠離裂紋部位取樣，用維氏硬度計進行硬度測試，結(jié)果如表2所示。由表2可見,失效氣瓶硬度符合標準要求。

表2　失效氣瓶硬度試驗結(jié)果

1.5斷口形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

將失效氣瓶裂紋部位切割取樣后，使用Quanta650掃描電鏡對斷口進行觀察。由圖4可見，裂紋為斷續(xù)直線狀，全長約1.6 mm。裂紋源區(qū)位于斷口中間，進一步放大后發(fā)現(xiàn)，有微量白色火山口狀腐蝕產(chǎn)物堆積，形貌如圖5所示。能譜分析結(jié)果(見表3)表明,腐蝕物中含有1.42%(質(zhì)量分數(shù),下同)的氯和0.66%的硫，兩者均為腐蝕性元素。

圖4　裂紋的SEM形貌Fig. 4　SEM morphology of cracks

圖5　裂紋中部腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌Fig. 5　SEM morphology of corrosion product in the middle of crack

%

將斷口打開后觀察斷面形貌。由圖6可見,斷面平整，無氣孔、疏松等冶金缺陷。斷面源區(qū)、擴展區(qū)和終斷區(qū)形貌如圖7所示。斷面平整、無明顯塑性變形，以準解理特征為主，終斷區(qū)由于是人為機械打開可見韌窩形貌。

圖6　斷面宏觀形貌Fig. 6　Macro-morphology of cross-section

(a)　裂紋源區(qū) (b)　裂紋擴展區(qū) (c)　終斷區(qū)圖7　斷面不同區(qū)域的微觀形貌Fig. 7　Micro morphology of different areas in cross-section: (a)　crack source area; (b)　propagation area; (c)　final fracture area

在斷面中部擴展區(qū)進行能譜分析，結(jié)果表明該部位含有1.09%的氯元素，如圖8所示。

圖8　斷面中部擴展區(qū)EDS分析結(jié)果Fig. 8　EDS results in the middle of cracking

2分析與討論

失效氣瓶化學(xué)成分合格、組織正常，硬度符合標準要求，斷裂部位無氣孔、疏松等冶金缺陷，因而可排除由材料質(zhì)量問題造成的斷裂失效。

失效氣瓶斷口分析表明，氣瓶開裂部位斷口平整，無明顯塑性變形，氣瓶外表面的腐蝕物及斷面檢出大量氯元素，這些均符合應(yīng)力腐蝕斷裂的斷口特征。

應(yīng)力腐蝕開裂與材料、應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)等因素有關(guān)。失效氣瓶所用材料為半奧氏體不銹鋼，該不銹鋼本身具有應(yīng)力腐蝕敏感性且敏感離子為氯離子。發(fā)生開裂的氣瓶是在充高壓空氣狀態(tài)下進行的測試，內(nèi)部壓力為65 MPa，瓶身承受大的張應(yīng)力。氣瓶在進行試驗時正值夏季下雨的天氣，且工業(yè)大氣中水汽、鹽分含量高，試驗后又經(jīng)3個月存儲，構(gòu)成了應(yīng)力腐蝕斷裂的環(huán)境因素。以上三方面均滿足應(yīng)力腐蝕開裂條件，再結(jié)合失效氣瓶的斷口,可判斷氣瓶開裂為應(yīng)力腐蝕開裂[1-4]。

3結(jié)論

失效鋼瓶的各項理化檢測和分析結(jié)果表明，鋼瓶所用材質(zhì)符合標準的規(guī)定，造成高壓氣瓶漏氣的原因是應(yīng)力腐蝕開裂。

參考文獻：

[1]劉云霞. 車用CNG鋼瓶產(chǎn)生裂紋的原因及預(yù)防措施[J]. 煤氣與熱力，2008，28(4)：25-27.

[2]馬鳴圖，李志剛，李紅兵. 燃氣汽車氣瓶用鋼的力學(xué)性能研究[J]. 汽車工藝與材料，2002(8/9):50-54.

[3]武常生，崔聞天，胡寶芹,等. 長管拖車用氣瓶硫化氫應(yīng)力腐蝕試驗研究[J]. 中國化工裝備，2013(1):10-18.

[4]陳彩霞，鄭楊艷. 316L不銹鋼波紋管膨脹節(jié)開裂原因分析與預(yù)防[J]. 理化檢驗(物理分冊),2015,51(1):55-58.

Analysis of Cracking Failure of a High Pressure Vessel Made of 69111 Semi Austenitic Stainless Steel

WAN Bin

(Shanghai Civil Aviation College, Shanghai 200232, China)

Abstract：A high pressure vessel made of 69111 semi austenitic stainless steel leaked at the time of ignition. The failure reasons for the steel vessel were analyzed through macro morphology, chemical composition, microstructure and hardness. The results show that the failure was not caused by the quality of material. The fracture in the position of cracking was smooth, and there was no obvious plastic deformation. A lot of chlorine was found in the outside corrosion product and on the fracture of the steel vessel. Above phenomena illustrate that the failure reasons for the steel vessel was because of stress corrosion cracking.

Key words：austenitic stainless steel; high pressure vessel; physical and chemical detection; stress corrosion cracking

中圖分類號：TG172.9

文獻標志碼：B

文章編號：1005-748X(2016)02-0180-03

通信作者：萬 斌(1972-)，高級工程師，博士，從事航空材料的制備、腐蝕與防護研究，13761041272,1561940016@qq.com

收稿日期：2015-12-02

DOI:10.11973/fsyfh-201602020