一種長(zhǎng)管拖車用爆破片夾持器黃銅部件開(kāi)裂原因分析

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

0 引言

長(zhǎng)管拖車是一種廣泛使用的運(yùn)輸工業(yè)氣體的高壓移動(dòng)式壓力容器，按照相關(guān)規(guī)定，除了運(yùn)輸介質(zhì)為高度危害介質(zhì)的車輛外，每只瓶式壓力容器均應(yīng)安裝安全泄放裝置[1]。在定期檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一種型號(hào)的爆破片夾持器的上夾持器多次出現(xiàn)形態(tài)相似的裂紋失效，對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成重大安全隱患[2]。本文對(duì)其中一個(gè)典型的失效件進(jìn)行分析，找出失效原因并制定改進(jìn)措施。

長(zhǎng)管拖車用爆破片安全裝置結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1(a)[3]。上夾持器與下方三通螺紋連接，爆破片組件位于兩者之間的密封面上，上夾持器在長(zhǎng)管拖車滿載時(shí)承受周向拉應(yīng)力。上夾持器開(kāi)裂的實(shí)物見(jiàn)圖1(b)，實(shí)物為經(jīng)過(guò)表面滲透檢測(cè)狀態(tài)，呈深色線狀顯示處為裂紋位置，可見(jiàn)均為縱向裂紋，失效形式相似。

1 觀察與測(cè)試

1.1 宏觀觀察

取一典型失效件進(jìn)行分析，該上夾持器如圖2所示。

(a)

(b)

上夾持器由下方六方接頭與上方外螺紋接口組成，材料為H62黃銅。該件外表面灰黑色，局部有銅綠。經(jīng)表面無(wú)損檢測(cè)，共有7條裂紋(見(jiàn)圖2(b))，裂紋均從六方接頭向上方外螺紋方向擴(kuò)展，徑向方向裂紋已經(jīng)貫穿。六方接頭內(nèi)表面呈正常的亮黃色，裂紋明顯，但無(wú)明顯銹蝕(見(jiàn)圖2(c))。

圖2 上夾持器形貌

對(duì)裂紋區(qū)域進(jìn)行放大觀察(見(jiàn)圖3)，裂紋附近材料無(wú)明顯塑性變形(見(jiàn)圖3(a))，裂紋局部斷續(xù)(見(jiàn)圖3(b)，(c))，內(nèi)螺紋整體結(jié)構(gòu)完整，接觸區(qū)位置正常(見(jiàn)圖3(c))，部分螺紋有接觸磨損(見(jiàn)圖3(d))。

(a)

(b)

(c)

(d)

顯然所有裂紋具有宏觀特征一致性，選擇一條裂紋打開(kāi)并觀察斷面，見(jiàn)圖4。觀察可見(jiàn)斷面平齊，無(wú)明顯變形，斷面大部分呈銅黃色，但靠近開(kāi)口處存在灰色覆蓋物，可知裂紋源為下端面。

(a)

(b)

圖4 裂紋斷口宏觀形貌

1.2 成分分析及硬度測(cè)試

對(duì)上夾持器基體進(jìn)行能譜成分分析和硬度測(cè)試，其結(jié)果分別如表1，2所示，可以看出，數(shù)值均在正常范圍。

表1 夾持器成分分析 %

表2 夾持器硬度(HV)測(cè)試結(jié)果

1.3 金相組織觀察

夾持器基體的金相組織見(jiàn)圖5(a)，為α相+β相組織結(jié)構(gòu)，組織分布均勻。圖5為六方外表面裂紋區(qū)域的金相組織形貌，可見(jiàn)裂紋從六方接頭下端面向上、沿縱向變形方向擴(kuò)展，多分叉，主裂紋附近存在大量細(xì)小次生裂紋，裂紋基本沿晶擴(kuò)展開(kāi)裂[5-6]。

1.4 顯微組織觀察

分別用電子掃描電鏡觀察六方接頭內(nèi)外表面裂紋形貌。內(nèi)表面裂紋見(jiàn)圖6(a)，可以看出裂紋在內(nèi)螺紋上是曲折、斷續(xù)的，此處應(yīng)為裂紋擴(kuò)展末端；圖6(b),(c)所示為內(nèi)螺紋斷裂表面，此處開(kāi)裂顯著為沿晶斷裂，晶粒表面較干凈，圖6(c)中可以看出變形流線。靠近六方接頭外表面的裂紋斷口顯微組織見(jiàn)圖7。從圖7(a)可以看出，裂紋靠外表面處也是沿晶斷裂，晶粒表面存在顆粒狀的腐蝕產(chǎn)物(見(jiàn)圖7(b))，端面存在其他方向的二次裂紋[5]。對(duì)端面腐蝕區(qū)域進(jìn)行表面成分能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖8，腐蝕產(chǎn)物中含有腐蝕元素硫和氧。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖6 內(nèi)表面裂紋形貌及內(nèi)螺牙斷口顯微組織

圖7 靠近六方接頭外表面的斷口顯微組織

圖8 腐蝕區(qū)域表面成分能譜結(jié)果

2 討論分析

總結(jié)以上的觀察和檢測(cè)結(jié)果，上夾持器存在多條宏觀一致的裂紋，裂紋附近無(wú)明顯塑性變形。因?yàn)榱鸭y在六方接頭下端寬度最大，且此處斷口表面污物和腐蝕產(chǎn)物最多，故裂紋應(yīng)是從下端向上擴(kuò)展；又因?yàn)閮?nèi)表面裂紋斷續(xù)且內(nèi)螺紋端面干凈，判斷裂紋應(yīng)是從外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展。裂紋在宏觀上呈脆性斷裂特征，微觀上為典型的沿晶開(kāi)裂，裂紋在擴(kuò)展方向上有分叉，存在大量次生裂紋，在裂紋斷口表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，沿著裂紋擴(kuò)展方向腐蝕產(chǎn)物逐漸減少。以上特征顯示，該夾持器開(kāi)裂是典型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，腐蝕元素是硫[6-12]。

應(yīng)力腐蝕是黃銅的主要失效方式，還有專門的名詞“季裂”[5]。黃銅的應(yīng)力腐蝕敏感性跟合金含鋅量有關(guān)，通常鋅含量大于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，具有較高的應(yīng)力腐蝕敏感性，表面易發(fā)生脫鋅腐蝕[13-14]。

觀察夾持器表面形貌，明顯外表面腐蝕嚴(yán)重，而內(nèi)表面呈明亮黃銅色，所以腐蝕介質(zhì)來(lái)源可能是與夾持器外表面充分接觸的大氣中的SO2[5]。

雖然該夾持器內(nèi)螺紋部分有磨損，但接觸部位正常無(wú)變形，裝配應(yīng)力不應(yīng)是開(kāi)裂的主應(yīng)力來(lái)源；況且裂紋是沿著六方接頭周向分布，裂紋擴(kuò)展方向近乎垂直向上，裂紋源頭為六方接頭下端面。綜合考慮，造成夾持器開(kāi)裂的主應(yīng)力應(yīng)是氣瓶充裝高壓介質(zhì)帶來(lái)的徑向力，在六方接頭周向分布，應(yīng)力形式為拉應(yīng)力。

3 預(yù)防措施

依據(jù)造成應(yīng)力腐蝕失效的原因：材料本身的敏感性、腐蝕環(huán)境、拉應(yīng)力，可考慮采取以下預(yù)防措施。

(1)改善材料本身的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性，比如可考慮加入錫、砷、銻、鋁等元素[5-7]；

(2)在夾持器外表面進(jìn)行電鍍保護(hù)，或者貼膜保護(hù)，與大氣中的腐蝕元素分離；

(3)增大六方接頭的厚度或改變形狀，降低拉應(yīng)力強(qiáng)度，使服役時(shí)承受的拉應(yīng)力低于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的門檻值。

實(shí)際服役中的夾持器材料，還大量采用了06Cr19Ni10，022Cr17Ni12Mo2等不銹鋼材料，根據(jù)定期檢驗(yàn)案例匯總情況[2]，不銹鋼材料的夾持器很少有此類缺陷。因此，更實(shí)用、便利的解決方案，可能是材料替代。

4 結(jié)語(yǔ)

該夾持器開(kāi)裂失效是應(yīng)力腐蝕造成的。直接失效原因是H62黃銅接觸大氣中的SO2、水蒸氣等氣體發(fā)生脫鋅腐蝕，在拉應(yīng)力作用下沿晶界發(fā)生脆性斷裂。可以從改善材質(zhì)耐應(yīng)力腐蝕性或改良服役條件等方面入手，消除此類安全隱患；或者換用06Cr19Ni10，022Cr17Ni12Mo2等不銹鋼材料。