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不锈钢三通失效分析

作者:admin 来源:原创 日期:2017-12-11 0:15:17 人气:30

不锈钢被广泛应用在食品、石化产品和电力等行业。特别是奥氏体不锈钢更是拥有出色的综合力学性能和耐腐蚀性。奥氏体不锈钢中Cr含量通常为18%-20%,Ni含量为8%-10.5%,C含量低于0.08%(均为质量分数)并含有微量的Si,N,Mn。高铬含量会促进钢铁表面形成致密的钝化层提高材料的室温和高温耐腐蚀性。NiMr、的添加会稳定奥氏体组织。低碳含量能够有效避免晶界位置铬碳化物的形成,避免脆化和敏化现象。

    不锈钢三通是在不锈钢管的基础上下料,通过冷拔(挤压)的方式加工而成但是奥氏体有非常显著的加工硬化现象,因此ASME  锅炉和压力容器规范(1)动力锅炉建造规范要求不锈钢在冷加工后要进行固溶热处理,如果固溶处理不当或未进行固溶处理,对不锈钢的使用性能会造成很大的影响。

    电厂脱硝设施中所使用的TP304不锈钢三通自2015年以来相继出现失效现象。该厂采用选择性催化脱硝法(SCR)工艺,以液氨为脱硝剂氨区自2014-11-30开始投运。自2015-04-24,氮气转换三通、调节门后三通、调节旁路三通相继出现开裂情况。泄漏时,氨泄漏报警仪数值自15. 18 mg/m,至75.9 mg/m3裂纹较大时肉眼可见裂纹处有白雾状气体,裂纹较小时需采用肥皂水检测。泄漏时裂纹较大次数占大多数。

    本研究针对三通失效现象通过对三通材质、热加工工艺及力学性能等方面的研究,对三通裂纹的萌生及扩展原因进行综合分析,对相似失效问题具有重要指导和借鉴意义。

1试验过程与结果

    试验样品为乙缓冲槽入口调节门后三通材质为TP304不锈钢,三通规格为DN80 x 15 mmPN2.5。蒸发槽水浴温度为50-60℃,气氨温度为50℃蒸发槽出El振动为0.02-0.035 mm

1.1化学成分分析

    对开裂三通进行化学成分分析(采用的分析设备为电火花直读光谱)汾析结果见表1。结果表明:开裂三通成分中的主要合金元素CrNi含量低于三通生产厂家执行的GB/T 12459-2005中引用GB/T 3280的要求。

1.2宏观分析

    解剖后的开裂三通宏观照片如图1所示。在三通的支管颈部位置可见6条明显裂纹,分别用1 -6进行标注。从图中可见,裂纹!位置有补焊痕迹,材料组织会受影响产生变化。裂纹2和裂纹5.6位置完好,因此对该处位置取样进行断口分析。取样后的裂纹2,5的宏观形貌如图2所示。从裂纹试样内表面可以观察到明显的冷加工变性损伤痕迹裂纹5位置恰与变形损伤位置重叠。

1.3断口分析

    对裂纹2进行断口分析。裂纹断口表面可分为两个典型区域,分别标记为Ⅰ 区和Ⅱ区(3a) ,Ⅰ区颜色略深,Ⅱ区颜色较浅。根据“断面氧化颜色法”可以确定,颜色较深的区域一般为开裂时间较早的区域。将断口进一步细分为A,B.C三区,A,B为缓慢扩展区,C区为快速断裂区,呈明显脆性断裂形貌(3b)。综合放射棱线的走向判断可以确定,裂纹始于A区,向B区扩展A区靠近三通内表面郡裂纹萌生于三通内壁,由内向外不断扩展,最终形成外表面的开裂。

1.4微观组织分析

    取另批质量合格的同规格三通作为对比三通与开裂三通进行对比取样位置均为垂直主管轴向靠近支管根部的位置。图4a、图41)为对比三通和开裂三通的抛光态金相组织图。对比两图可以看出开裂三通基体内的夹杂物尺寸明显比对比三通大且数量多。根据GB/T 10561-2009对开裂三通内的夹杂物进行评级:其为D类球状氧化物级别2.5级,即100倍光学显微镜,单个视场内夹杂物个数为25-36个大多数单个夹杂物直径尺寸约为3-8.5m,部分较大夹杂物尺寸可近似达到10.5m

    4c、图4d为对比三通和开裂三通的浸蚀态金相组织图。对比两图可以看出,金相组织均为奥氏体开裂三通的晶粒尺寸要比对比三通晶粒尺寸小且晶界不平直。图4e、图4f为对比三通和开裂三通的SEM观察图从图中可以发现开裂三通组织中除了大块奥氏体组织外,部分组织发生相变。在被王水浸蚀后残留下针条状马氏体组织征明开裂三通组织出现部分不稳定奥氏体变形后向马氏体转变的现象.

    5为开裂三通中夹杂物的SEM图及1#位置夹杂物的EDS能谱分析曲线具体元素组成见表2。据文献介绍,通常Si脱氧304不锈钢主要形成硅酸盐复合夹杂物,夹杂物的主要成分为CaO-SiO2-Al2O3,以及少量的MnS, Cr2O3,MnS.TiO2,2中测得的开裂三通夹杂物成分与这些夹杂物化合物的成分基本一致。

1.5断口分析

    采用扫描电子显微镜对断口进行观察和分析,见图6、图7。图6a为裂纹起始位置(I),图61)为裂纹起源一扩展交界区。从裂纹源区断口形貌上看,断口较平坦,裂纹源区断口表现为穿晶开裂特征,裂纹起始位置表面氧化较严重(6e) EDS成分分析为含Si,S,Ca等元素的氧化物腐蚀产物EDS能谱分析结果见表3。在裂纹扩展区可见明显晶界,为穿晶/沿晶混合开裂(6d)。图7a为裂纹扩展区穿晶/沿晶混合开裂扫描电镜图像,图7b为裂纹扩展区疲劳开裂的微观特征疲劳条带。

1.6硬度检测

    根据GB13296-2013规定,锅炉用304奥氏体不锈钢管的硬度不允许超过HV 220而开裂三通的显微硬度值为HV 452。硬度测试结果表明开裂三通材质硬度过高。

2分析与讨论

    通过对裂纹断口的宏观和微观特征观察河以得出开裂三通的失效方式属于疲劳失效。由使用环境可知三通工作温度和压力都较低但是在工作过程中受振动作用,所以可以推断三通开裂的疲劳载荷来源为振动载荷。

    通过对材料进行成分分析和金相组织观察可以发现,Ni是奥氏体稳定化元素,其含量低于标准值会影响奥氏体的稳定性,会促进变形后不稳定化奥氏体向马氏体的转变造成材料硬度、强度变高塑性变低。同时该批三通内部也存在较多的非金属夹杂物。夹杂物的存在对基体存在割裂作用并造成应力集中现象。这些微观组织的变化使得材料内部产生较大的内应力作用捉进了疲劳裂纹的萌生。

    不锈钢三通执行标准中规定三通需要进行固溶处理固溶处理的目的是降低材料的硬度提高其韧性除材料内应力肪止材料产生应力腐蚀或应力开裂的现象。失效三通的显微硬度为HV 452,其远高于标准规定的HV 220上限值,说明三通未进行固溶处理导致材料硬度升高增加了材料的内部残余应力。因此,未进行变形后固溶处理的三通在内表面存在大量冷加工变形损伤痕迹的条件下更加大了损伤位置的应力集中程度加速了疲劳裂纹的产生。

3结论

    1)不锈钢三通材质中主要合金元素CrNi不达标。Ni含量低于标准要求这会降低奥氏体稳定化程度捉进变形后不稳定化奥氏体向马氏体的转变造成材料硬度、强度变高塑性变低。

    2)开裂三通基体中夹杂物数量较多,球状夹杂物的存在会加大交变载荷下的应力集中现象,促进疲劳裂纹的萌生。

    3)不锈钢三通未进行固溶处理导致材料硬度升高,增加了材料的内部残余应力。

    4)开裂三通的失效形式为疲劳失效。同时材料内表面存在的大量加工变形损伤加大了材料的应力集中程度在振动载荷作用下裂纹从三通内壁开始萌生,以疲劳方式逐渐扩展最终形成疲劳裂纹。