循環(huán)水風(fēng)機葉片U型螺栓斷裂分析

(中海油東方石化有限責(zé)任公司，海南 東方 572600)

某石化廠地處華南沿海地區(qū)，屬于熱帶季風(fēng)海洋性氣候。循環(huán)水冷卻塔為機械通風(fēng)逆流式冷卻塔，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。冷卻塔風(fēng)機采用軸流風(fēng)機，每臺風(fēng)機有6片高效機翼型加強環(huán)氧玻璃鋼葉片。葉片由2只U型螺栓固定在風(fēng)機輪轂上。U型螺栓規(guī)格為M24，材質(zhì)為06Cr19Ni10不銹鋼。

例行檢查時，操作人員發(fā)現(xiàn)其中一臺風(fēng)機運行異常。緊急停機檢修發(fā)現(xiàn)其中一支葉片松動，靠近風(fēng)葉的一只U型螺栓已斷裂，所幸葉片未甩出，風(fēng)筒也未見損傷。為了防止此類故障再次發(fā)生造成更大的損失，有必要弄清楚風(fēng)機U型螺栓斷裂的原因并制定有效的預(yù)防措施。

1 檢測分析

1.1 宏觀檢查

斷裂的U型螺栓宏觀形貌見圖1。由圖1可以看出， U型螺栓上有三處斷口(斷口A,B和C)，斷口A和B之間有一小段已缺失。斷裂位置均位于U型螺栓彎曲段與直柄段的過渡處，螺紋區(qū)域未見有裂紋出現(xiàn)。螺栓斷口垂直于其軸線，斷口處未見明顯的塑性變形，為脆性斷裂。

斷口A和B特征相同，即裂紋起源于螺栓表面并向內(nèi)擴展，在裂紋擴展區(qū)有弧形的貝紋線，最后瞬斷區(qū)可見剪切唇，具有疲勞斷口的特征(見圖2)。

在螺栓表面的斷口裂紋源附近，還有與斷口平行的裂紋存在，且裂紋處均有腐蝕發(fā)生。在斷口旁邊還有大小不等的裂紋存在，這些裂紋以垂直螺栓軸線方向居多，也有與螺栓軸線成45°角的。在產(chǎn)生裂紋區(qū)域的螺栓表面有銹蝕產(chǎn)物附著。

初步認(rèn)為，U型螺栓的斷裂失效具有應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞破壞的特征。

圖1 U型螺栓斷裂的宏觀形貌

1.2 材質(zhì)化學(xué)成分分析

使用光譜儀對螺栓材質(zhì)進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，U型螺栓材質(zhì)成分與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行對比，C含量較高，而Cr含量偏低，不符合技術(shù)要求[1-2]。

表1 U型螺栓的化學(xué)成分 w,%

1.3 金相分析

在螺栓斷口C處切金相樣品，經(jīng)預(yù)磨、拋光和腐刻后，在顯微鏡下觀察,結(jié)果見圖3。螺栓金相組織為單相奧氏體，敏化嚴(yán)重，有晶間腐蝕傾向。采用草酸電解浸蝕法檢測，其浸蝕金相組織為三類-溝狀組織[3]。金相組織中未見晶粒組織有冷加工變形。裂紋起源于U型螺栓表面，向內(nèi)沿晶擴展，有分叉，具有晶間應(yīng)力腐蝕開裂的特征。

圖3 斷口C金相組織

將螺栓斷口B縱向剖開，觀察裂紋源區(qū)及裂紋擴展區(qū)的金相組織,發(fā)現(xiàn)：斷口的裂紋源區(qū)高低起伏較大，而斷口的裂紋擴展區(qū)較為平坦。在斷口B的裂紋源區(qū)及裂紋擴展區(qū)，均有二次沿晶裂紋存在。裂紋源區(qū)的二次沿晶裂紋擴展方向基本與斷口裂紋擴展方向平行；裂紋擴展區(qū)的二次沿晶裂紋擴展方向與斷口裂紋擴展方向垂直。

通過金相分析，確認(rèn)螺栓斷裂屬于沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。

1.4 掃描電鏡和能譜分析

使用掃描電鏡(SEM)，對U型螺栓斷口A和斷口C進行觀察，對腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析(EDS)，結(jié)果見圖4。

圖4 斷口A裂紋源區(qū)的SEM+EDS

斷口A上有許多的腐蝕產(chǎn)物，能譜分析表明斷口上有腐蝕性元素Cl，S和O等。斷口A的裂紋源區(qū)為沿晶裂紋。在裂紋擴展區(qū)低倍下觀察到的疲勞弧線(即貝紋線)，是腐蝕產(chǎn)物聚集量較多處。在瞬斷區(qū)，可見螺栓最后剪切斷裂時形成韌窩的痕跡。

斷口C只有裂紋源區(qū)，沒有裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。裂紋產(chǎn)生于螺栓表面，向內(nèi)擴展。該斷口為沿晶斷裂，有腐蝕產(chǎn)物附著。能譜分析表明，斷口上有腐蝕性元素Cl，S和O等。該斷口具有晶間應(yīng)力腐蝕開裂的特征。

2 分析與討論

2.1 應(yīng)力腐蝕分析

奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂是在拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象，二者缺一不可[4]。一般情況下，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時的拉伸應(yīng)力都很低，如果沒有腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用，機件可以在該應(yīng)力下長期工作而不產(chǎn)生斷裂。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境總是存在特定的腐蝕介質(zhì)，如果沒有拉應(yīng)力的同時作用，奧氏體不銹鋼在這種介質(zhì)中腐蝕速率很慢。

拉伸應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。拉伸應(yīng)力可以是外加載荷造成的應(yīng)力,也可以是各種殘余應(yīng)力，如焊接、冷熱加工的殘余應(yīng)力。U型螺栓的作用是將葉片固定在風(fēng)機的輪轂上，其受力狀態(tài)比較復(fù)雜。預(yù)緊力載荷使得螺栓受到拉應(yīng)力作用;加工殘余應(yīng)力集中在螺栓斷裂的位置。風(fēng)機靜止時，葉片重力使得螺栓受到靜拉應(yīng)力的作用;風(fēng)機工作時，螺栓主要承受葉片旋轉(zhuǎn)方向上的氣動力、葉片重力和離心力，表現(xiàn)為靜拉應(yīng)力和交變應(yīng)力的共同作用。所以，U型螺栓的的受力情況主要是拉伸應(yīng)力和交變應(yīng)力，滿足應(yīng)力腐蝕的條件。

奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕介質(zhì)有氯化物、高濃度的苛性堿、連多硫酸和硫化物。U型螺栓用于涼水塔風(fēng)機葉片的固定，其工作環(huán)境為華南沿海工業(yè)大氣環(huán)境。奧氏體不銹鋼在工業(yè)大氣和沿海大氣中對于應(yīng)力腐蝕具有較強的敏感性。沿海工業(yè)大氣環(huán)境不僅含有SO2，H2S，NH3和NO2等腐蝕性介質(zhì)，還有大量NaCl的鹽霧[5]。NaCl能夠引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂。循環(huán)水場環(huán)境蒸發(fā)濕度非常大，和鹽離子共同作用在螺栓表面吸附水分，促進溶液環(huán)境的形成。斷口腐蝕產(chǎn)物分析中發(fā)現(xiàn)有Cl，S和O等腐蝕性元素也得到印證。因此，U型螺栓的工作環(huán)境符合奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的特定腐蝕環(huán)境。

2.2 晶間腐蝕分析

奧氏體不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%。室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小，約為0.02%～0.03%。而一般奧氏體不銹鋼中的碳含量均超過此值。在一定的溫度下不銹鋼多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳化鉻的化合物，使得晶界附近的鉻含量大為減少。當(dāng)晶界的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時，就形成所謂的“貧鉻區(qū)”。貧鉻區(qū)耐蝕性很差，易產(chǎn)生晶間腐蝕。

碳和鉻的含量是奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的主要影響因素。碳含量越高，鉻含量越低，奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向越明顯。奧氏體不銹鋼碳含量控制在較低水平，則不易在晶間形成貧鉻區(qū)。

在該案例中，螺栓材質(zhì)成分不符合06Cr19Ni10不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，其中C元素含量偏高，Cr元素含量偏低。C含量是06Cr19Ni10不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕的最主要影響因素。C含量增加，06Cr19Ni10不銹鋼的晶間腐蝕風(fēng)險明顯增大。C含量的超標(biāo)及Cr含量的偏低，在一定條件下易造成06Cr19Ni10不銹鋼晶界的碳化物析出，使得晶界成為“貧鉻區(qū)”，增加其晶間腐蝕的敏感性。

在熱加工過程中，奧氏體不銹鋼如果在 420～850 ℃范圍內(nèi)停留時間過長，會由于沿晶界析出碳化鉻而造成晶間貧鉻，增加材料的晶間腐蝕傾向。這個過程稱為敏化過程。此溫度范圍就是奧氏體不銹鋼的敏化溫度區(qū)間。

螺栓金相組織中未見晶粒組織有冷加工變形，表明不是冷加工成型，而是熱加工成型。采用草酸電解浸蝕法檢測，其浸蝕金相組織為三類-溝狀組織，敏化嚴(yán)重，有嚴(yán)重的晶間腐蝕傾向。顯然，螺栓經(jīng)過不恰當(dāng)?shù)臒峒庸み^程。

斷口腐蝕產(chǎn)物分析中發(fā)現(xiàn)有Cl，S和O等腐蝕性元素，為晶間腐蝕的發(fā)生提供了腐蝕介質(zhì)環(huán)境。

2.3 疲勞破壞斷裂分析

金屬疲勞破壞可分為3個階段：(1)裂紋源產(chǎn)生階段，(2)裂紋擴展階段，(3)瞬時斷裂階段。疲勞斷口宏觀上可分為疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。

疲勞裂紋擴展區(qū)宏觀特征比較光滑并分布有疲勞弧線(即貝紋線)。疲勞弧線是金屬疲勞斷口最基本的宏觀形貌特征，是疲勞裂紋斷裂前的宏觀塑性變形痕跡[6]。貝紋線是以裂紋源為圓心的平行弧線，凹側(cè)指向裂紋源，凸側(cè)指向裂紋擴展方向。近裂紋源區(qū)貝紋線較密，遠離裂紋源區(qū)貝紋線較稀疏。

瞬斷區(qū)斷口比疲勞裂紋擴展區(qū)粗糙，宏觀特征如同靜載的裂紋件斷口。脆性材料斷口為結(jié)晶狀。韌性材料斷口在心部呈放射狀或人字紋，在邊緣區(qū)有剪切唇。

裂紋源由晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生。當(dāng)螺栓受到的應(yīng)力以靜拉應(yīng)力為主時，開裂以應(yīng)力腐蝕方式進行，當(dāng)螺栓受到的應(yīng)力以交變應(yīng)力為主時，開裂就以疲勞斷裂方式進行。在裂紋擴展區(qū)有弧形的貝紋線，最后瞬斷區(qū)可見剪切唇。

3 結(jié)論及建議

通過以上分析認(rèn)為：U型螺栓的斷裂失效是在敏感材料、腐蝕性介質(zhì)、靜拉伸應(yīng)力和交變應(yīng)力等因素的共同作用下，發(fā)生的晶間應(yīng)力腐蝕開裂疊加腐蝕疲勞斷裂。

腐蝕斷裂發(fā)生原因如下：

(1)螺栓材質(zhì)成分未達到06Cr19Ni10不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)螺栓經(jīng)不恰當(dāng)?shù)臒峒庸ぬ幚恚艋瘒?yán)重，有嚴(yán)重的晶間腐蝕傾向。

(3)螺栓受到靜拉應(yīng)力和交變應(yīng)力的共同作用。

(4)螺栓工作在沿海工業(yè)大氣環(huán)境中，有Cl,S和O等腐蝕性元素。

建議采取以下防護措施：

(1)在沿海工業(yè)環(huán)境中應(yīng)選用抗應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕的材料，例如：奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、超低碳奧氏體不銹鋼304L或316L等。

(2)奧氏體不銹鋼加熱到1 050～1 100 ℃進行固熔化處理，或者奧氏體不銹鋼添加穩(wěn)定化元素Ti或Nb，并加熱到900 ℃以上進行穩(wěn)定化處理，均可以提高抗晶間腐蝕能力。固熔化處理、穩(wěn)定化處理后應(yīng)快速冷卻，避免在敏化溫度(420～850 ℃)區(qū)間長時間停留。

(3)嚴(yán)格按照規(guī)范要求緊固螺栓，避免過載和偏載，降低工作應(yīng)力。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計盡量簡單，避免應(yīng)力集中。

(4)螺栓表面進行噴丸或滾壓處理，可以在螺栓表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力抵消拉伸應(yīng)力，還可以提高材料的抗疲勞性能。

(5)做好螺栓的防護，對螺栓表面進行涂漆、噴塑等處理，減少螺栓與大氣中腐蝕性介質(zhì)的接觸。

(6)對螺栓表面熱處理或化學(xué)熱處理進行表面強化，可以提高抗疲勞能力，例如表面淬火、滲碳和滲氮等。