摘 要:某電廠核級手動截止閥閥桿(材質(zhì)為17-4PH 馬氏體不銹鋼)運行約6a后,發(fā)生斷裂,通過宏觀檢查、化學 成分分析、力學性能測試等分析了失效原因。結(jié)果表明:基體材料晶界粗化,在海水系統(tǒng)中,閥桿表面出現(xiàn)較多點蝕 坑,點蝕和晶間腐蝕的共同作用最終導致閥桿斷裂;材料在海水環(huán)境中不耐蝕以及熱處理工藝不當是引發(fā)閥桿斷裂 的主要原因。 

關(guān)鍵詞:點腐蝕;沿晶開裂;時效工藝 

中圖分類號:TG172                                                文獻標志碼:B                                           文章編號:1005-748X(2022)04-0065-04

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 時效處理后,具有高強度、高硬度的特點,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 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 - 、S 2- 的酸性介質(zhì) 中仍然會發(fā)生非常嚴重的腐蝕。此外,17-4PH 不 銹鋼在服役過程中還會出現(xiàn)力學性能和耐蝕性下降 的情況[2-3]。 

本工作針對某電廠核級手動截止閥閥桿斷裂現(xiàn) 象進行綜合性能分析研究,以找出斷裂的原因,保障機組后續(xù)安全穩(wěn)定運行。

1 試驗 

閥桿斷裂的截止閥為手動截止閥,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。截止閥約運行了6a,期間未進 行任何維修。閥門平時處于常開模式,僅在檢修時 關(guān)閉,內(nèi)部介質(zhì)為海水。

針對該斷裂閥桿,分別進行宏觀形貌觀察、化學 成分分析、金相檢驗、力學性能測試等,取樣位置如 圖2所示。 

對閥桿的斷裂位置、閥桿表面、斷口等進行宏觀 形貌觀察并拍照記錄。

對斷裂閥桿取樣進行化學成分分析,測試標準 為 GB/T11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》。 

試樣經(jīng)鑲嵌、預磨、拋光并用溶液浸蝕后,進行 顯微組織觀察。 

室溫拉伸試驗采用?5 mm 比例拉伸試棒,試 驗標準為 GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》。

 在斷裂閥桿橫截面進行布氏硬度試驗,試驗條 件如下:負荷187.5kgf,保載時間10s。測試標準 為 GB/T231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第 1部分:試驗方法》。

 對閥桿斷裂斷口正面和側(cè)面、閥桿表面分別進 行微 觀 形 貌 觀 察,測 試 設 備 為 TESCAN VEGA TS5136XM 掃 描 電 鏡,測 試 標 準 為 JY/T 010- 1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

2 結(jié)果與討論 

2.1 宏觀形貌 

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蝕坑;閥桿底部存在較 為嚴重的點蝕現(xiàn)象,見圖3(d)。

2.2 化學成分 

由表 1 可 見:腐 蝕 閥 桿 的 化 學 成 分 滿 足 規(guī) 范 RCC-M M5110對 X6CrNiCu17-04鋼的成分要求。 

2.3 金相檢驗 

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。 

2.4 力學性能 

由表2可見:試樣的抗拉強度和屈服強度滿足 標準要求,但 斷 后 伸 長 率 和 斷 面 收 縮 率 低 于 標 準 RCCM M5110對 X6CrNiCu17-04的要求。 

由 表3可 見 :試 樣 的 硬 度 較 均 勻 ,平 均 值 為381HB,滿足標準 RCCM M5110對 X6CrNiCu17- 04的硬度要求。

2.5 SEM 觀察和能譜分析 

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腐 蝕坑。 

3 失效原因 

從形貌觀察結(jié)果可知,閥桿表面散布著較多的 點腐蝕坑,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蝕和晶間腐蝕的共同作用造成的。

 17-4PH(X6CrNiCu17-04)是 一 種 沉 淀 硬 化 馬 氏體不銹鋼,通過在馬氏體基體上析出富銅的ε相 而強化。其特點是具有高屈強比,強韌性配合好,缺 點是鉻含量低,僅耐弱腐蝕介質(zhì)的腐蝕,在海水等中 強腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性不高,容易發(fā)生點蝕。

理化分析結(jié)果表明,斷裂閥桿的化學成分和硬 度滿足標準要求;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;硬度和強度指標滿足標準中的 A 級指標要求,但室溫塑性明顯低于標準 A 級指標 要求,甚至低于 B級指標要求。晶界存在明顯的粗 化現(xiàn) 象,可 能 與 熱 處 理 工 藝 不 當 有 關(guān)。 當 晶 界 Cr23C6沉淀速度快于 Cr元素的擴散速度,補給晶 界區(qū)的 Cr量不足以抵償消耗的 Cr量時,一旦貧鉻 區(qū)的Cr量低到一定程度,就會使材料出現(xiàn)晶間腐蝕 傾向。上述過程將導致材料的塑韌性和耐蝕性降 低,并易引發(fā)晶間腐蝕。 

4 結(jié)論及建議 

在點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導 致晶界貧Cr引發(fā)晶間腐蝕,進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間后不發(fā)生點腐 蝕,且隨著蝕坑不斷深入,最終也會導致閥桿斷裂失 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,比如超級雙相不銹鋼等。在替 代過程中,應注意確保新材料的制造質(zhì)量滿足相關(guān)標準要求。

參考文獻: 

[1] 方順發(fā).40Crl7NiCu44CuNb4鋼制葉片的熱處理[J]. 熱處理,2003,Nb18鋼制葉片的熱處理[J].熱處理, 2003,(4):32-35. 

[2] 盧志明等.316L 不銹鋼應力腐蝕敏感性指數(shù)計算與 回歸分析[J].浙江工業(yè)大學學報,2007,35(2):198- 201. 

[3] WANG T,LIZ,FUS H,etal.Hotdeformationbehaviorand microstructureofU720Lialloy[J].AdvancedMaterialsResearch,2013,709:143-147.

<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 腐蝕與防護 > 43卷 > 4期 (pp:65)>