張忠偉,左敦桂,賴云亭
(蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)
17-4PH不銹鋼是一種沉淀硬化型馬氏體不銹鋼,碳含量低、鉻含量高且含有銅、鈮等元素,經(jīng)固溶時(shí)效處理后,具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn),在大氣及稀釋酸或鹽環(huán)境中都具有良好的耐蝕性,多用于制造既要求耐弱酸、堿、鹽腐蝕,又要求高強(qiáng)度的部件[1]。
17-4PH不銹鋼本身具有一定的耐蝕性,但在一些特定介質(zhì)中,尤其在含有Cl-、S2-的酸性介質(zhì)中仍然會(huì)發(fā)生非常嚴(yán)重的腐蝕。此外,17-4PH不銹鋼在服役過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能和耐蝕性下降的情況[2-3]。
本工作針對(duì)某電廠核級(jí)手動(dòng)截止閥閥桿斷裂現(xiàn)象進(jìn)行綜合性能分析研究,以找出斷裂的原因,保障機(jī)組后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
閥桿斷裂的截止閥為手動(dòng)截止閥,閥結(jié)構(gòu)和部件材料如圖1所示,其中斷裂閥桿材質(zhì)為X6CrNiCu17-04鋼。截止閥約運(yùn)行了6 a,期間未進(jìn)行任何維修。閥門平時(shí)處于常開模式,僅在檢修時(shí)關(guān)閉,內(nèi)部介質(zhì)為海水。
針對(duì)該斷裂閥桿,分別進(jìn)行宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試等,取樣位置如圖2所示。
對(duì)閥桿的斷裂位置、閥桿表面、斷口等進(jìn)行宏觀形貌觀察并拍照記錄。
對(duì)斷裂閥桿取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》。
試樣經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨、拋光并用溶液浸蝕后,進(jìn)行顯微組織觀察。
圖1 截止閥的結(jié)構(gòu)及其部件的材料單Fig. 1 The structure of the globe valve and the list of materials for each component
圖2 失效閥桿的取樣位置Fig. 2 Location of the failed stem sampling
室溫拉伸試驗(yàn)采用φ5 mm比例拉伸試棒,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》。
在斷裂閥桿橫截面進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn),試驗(yàn)條件如下:負(fù)荷187.5 kgf,保載時(shí)間10 s。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》。
對(duì)閥桿斷裂斷口正面和側(cè)面、閥桿表面分別進(jìn)行微觀形貌觀察,測(cè)試設(shè)備為TESCAN VEGA TS5136XM掃描電鏡,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。
送檢閥桿整體保持豎直,未見明顯彎曲變形。斷口位于閥桿下部直徑變化部位,見圖2。斷口附近未見明顯宏觀塑性變形,詳見圖3。斷口表面已普遍發(fā)生腐蝕,局部呈現(xiàn)細(xì)小的蜂窩狀;將閥瓣從閥桿上取下后,發(fā)現(xiàn)斷口下部閥桿表面沿圓周方向上散布較多點(diǎn)腐蝕坑,見圖3 (c)黃虛線方框部位,斷口上部閥桿表面存在少量點(diǎn)蝕坑;閥桿底部存在較為嚴(yán)重的點(diǎn)蝕現(xiàn)象,見圖3(d)。
由表1可見:腐蝕閥桿的化學(xué)成分滿足規(guī)范RCC-M M5110對(duì)X6CrNiCu17-04鋼的成分要求。
由圖4~6可見:閥桿基體組織為回火馬氏體+較多沉淀析出相,部分析出相相互聚集呈線狀,晶界存在明顯的粗化現(xiàn)象。斷口處存在較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象,主裂紋和二次裂紋均為沿晶裂紋,內(nèi)部腐蝕坑已連接在一起。
由表2可見:試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,但斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率低于標(biāo)準(zhǔn)RCCM M5110對(duì)X6CrNiCu17-04的要求。
由表3可見:試樣的硬度較均勻,平均值為381 HB,滿足標(biāo)準(zhǔn)RCCM M5110對(duì)X6CrNiCu17-04的硬度要求。
(a) 上部 (b) 下部 (c) 表面 (d) 底部圖3 閥桿的宏觀形貌Fig. 3 Macroscopic appearance of valve stem: (a) upper location, (b) lower location, (c) surface location, (d) bottom location
表1 腐蝕閥桿的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of corroded valve stem %
(a) 橫截面 (b) 縱截面圖4 閥桿母材的顯微組織Fig. 4 Microstructure of valve stem base material: (a) cross section, (b) longitudinal section
(a) 宏觀形貌 (b) 位置A (c) 位置B
(d) 位置C (e) 位置D圖5 閥桿斷口縱截面的顯微組織Fig. 5 Microstructure of longitudinal section of valve stem fracture: (a) Macro morphology, (b) location A, (c) location B, (d) location C, (e) location D
由圖7和8可見:斷口表面覆蓋了一層明顯的腐蝕產(chǎn)物,邊緣及中間位置均為典型的沿晶破壞特征;緊鄰斷口邊緣處和閥桿表面均存在明顯的點(diǎn)腐蝕坑。
從形貌觀察結(jié)果可知,閥桿表面散布著較多的點(diǎn)腐蝕坑,剖開這些蝕坑可見蝕坑很深,并彼此有連接現(xiàn)象。在蝕坑前沿,微觀上腐蝕以沿晶形式向基體深入。特別是斷口附近區(qū)域,存在著同斷口方向相同的晶間腐蝕特征。這表明閥桿斷裂是點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用造成的。
(a) 宏觀形象 (b) 位置A (c) 位置B (d) 位置C 圖6 閥桿點(diǎn)蝕坑處的顯微組織Fig. 6 Microstructure of valve stem pitting: (a) macro morphology; (b)location A; (c) location B; (d) location C
表2 試樣的室溫拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Room temperature tensile and impact test results of specimens
表3 試樣的硬度測(cè)試結(jié)果Tab. 3 Hardness test results of specimens
(a) 邊緣位置 (b) 中間位置 (c) 側(cè)面 圖7 閥桿斷口不同位置的微觀形貌Fig. 7 Micromorphology of valve stem fracture at different positions: (a) edge of fracture; (b) middle of fracture; (c) side of fracture
圖8 閥桿表面的SEM形貌Fig. 8 SEM morphology on the surface of valve stem
17-4PH(X6CrNiCu17-04)是一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼,通過(guò)在馬氏體基體上析出富銅的ε相而強(qiáng)化。其特點(diǎn)是具有高屈強(qiáng)比,強(qiáng)韌性配合好,缺點(diǎn)是鉻含量低,僅耐弱腐蝕介質(zhì)的腐蝕,在海水等中強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性不高,容易發(fā)生點(diǎn)蝕。
理化分析結(jié)果表明,斷裂閥桿的化學(xué)成分和硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;顯微組織為回火馬氏體基體+較多沉淀析出相,部分析出相相互聚集成線狀,晶界存在明顯的粗化現(xiàn)象;硬度和強(qiáng)度指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)中的A級(jí)指標(biāo)要求,但室溫塑性明顯低于標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)指標(biāo)要求,甚至低于B級(jí)指標(biāo)要求。晶界存在明顯的粗化現(xiàn)象,可能與熱處理工藝不當(dāng)有關(guān)。當(dāng)晶界Cr23C6沉淀速度快于Cr元素的擴(kuò)散速度,補(bǔ)給晶界區(qū)的Cr量不足以抵償消耗的Cr量時(shí),一旦貧鉻區(qū)的Cr量低到一定程度,就會(huì)使材料出現(xiàn)晶間腐蝕傾向。上述過(guò)程將導(dǎo)致材料的塑韌性和耐蝕性降低,并易引發(fā)晶間腐蝕。
在點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用下,閥桿最終發(fā)生了斷裂失效。究其原因是17-4PH(X6CrNiCu17-04)鋼的耐海水腐蝕性不高,加之熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致晶界貧Cr引發(fā)晶間腐蝕,進(jìn)一步惡化了材料的耐海水腐蝕性。將17-4PH(X6CrNiCu17-04)作為閥桿材料直接暴露在海水環(huán)境中,即使閥桿材料的制造質(zhì)量合格,也難免在使用一段時(shí)間后不發(fā)生點(diǎn)腐蝕,且隨著蝕坑不斷深入,最終也會(huì)導(dǎo)致閥桿斷裂失效。因此,建議優(yōu)化閥桿選材,將閥桿材料更換為更耐海水腐蝕的材料,比如超級(jí)雙相不銹鋼等。在替代過(guò)程中,應(yīng)注意確保新材料的制造質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。