摘 要:某电厂核级手动截止阀阀杆(材质为17-4PH 马氏体不锈钢)运行约6a后,发生断裂,通过宏观检查、化学 成分分析、力学性能测试等分析了失效原因。结果表明:基体材料晶界粗化,在海水系统中,阀杆表面出现较多点蚀 坑,点蚀和晶间腐蚀的共同作用最终导致阀杆断裂;材料在海水环境中不耐蚀以及热处理工艺不当是引发阀杆断裂 的主要原因。
关键词:点腐蚀;沿晶开裂;时效工艺
中图分类号:TG172 文献标志码:B 文章编号:1005-748X(2022)04-0065-04
17-4PH 不锈钢是一种沉淀硬化型马氏体不锈 钢,碳含量低、铬含量高且含有铜、铌等元素,经固溶 时效处理后,具有高强度、高硬度的特点,在大气及 稀释酸或盐环境中都具有良好的耐蚀性,多用于制 造既要求 耐 弱 酸、碱、盐 腐 蚀,又 要 求 高 强 度 的 部 件[1]。
17-4PH 不锈钢本身具有一定的耐蚀性,但在 一些特定介质中,尤其在含有 Cl - 、S 2- 的酸性介质 中仍然会发生非常严重的腐蚀。此外,17-4PH 不 锈钢在服役过程中还会出现力学性能和耐蚀性下降 的情况[2-3]。
本工作针对某电厂核级手动截止阀阀杆断裂现 象进行综合性能分析研究,以找出断裂的原因,保障机组后续安全稳定运行。
1 试验
阀杆断裂的截止阀为手动截止阀,阀结构和部 件 材 料 如 图 1 所 示,其 中 断 裂 阀 杆 材 质 为 X6CrNiCu17-04钢。截止阀约运行了6a,期间未进 行任何维修。阀门平时处于�？Ｊ�,仅在检修时 关闭,内部介质为海水。
针对该断裂阀杆,分别进行宏观形貌观察、化学 成分分析、金相检验、力学性能测试等,取样位置如 图2所示。
对阀杆的断裂位置、阀杆表面、断口等进行宏观 形貌观察并拍照记录。
对断裂阀杆取样进行化学成分分析,测试标准 为 GB/T11170-2008《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》。
试样经镶嵌、预磨、抛光并用溶液浸蚀后,进行 显微组织观察。
室温拉伸试验采用?5 mm 比例拉伸试棒,试 验标准为 GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分:室温试验方法》。
在断裂阀杆横截面进行布氏硬度试验,试验条 件如下:负荷187.5kgf,保载时间10s。测试标准 为 GB/T231.1-2018《金属材料 布氏硬度试验 第 1部分:试验方法》。
对阀杆断裂断口正面和侧面、阀杆表面分别进 行微 观 形 貌 观 察,测 试 设 备 为 TESCAN VEGA TS5136XM 扫 描 电 镜,测 试 标 准 为 JY/T 010- 1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》。
2 结果与讨论
2.1 宏观形貌
送检阀杆整体保持竖直,未见明显弯曲变形。
断口位于阀杆下部直径变化部位,见图2。断口附 近未见明显宏观塑性变形,详见图3。断口表面已 普遍发生腐蚀,局部呈现细小的蜂窝状;将阀瓣从阀 杆上取下后,发现断口下部阀杆表面沿圆周方向上 散布较多点腐蚀坑,见图3 (c)黄虚线方框部位,断 口上部阀杆表面存在少量点蚀坑;阀杆底部存在较 为严重的点蚀现象,见图3(d)。
2.2 化学成分
由表 1 可 见:腐 蚀 阀 杆 的 化 学 成 分 满 足 规 范 RCC-M M5110对 X6CrNiCu17-04钢的成分要求。
2.3 金相检验
由图4~6可见:阀杆基体组织为回火马氏体+ 较多沉淀析出相,部分析出相相互聚集呈线状,晶界 存在明显的粗化现象。断口处存在较为严重的腐蚀 现象,主裂纹和二次裂纹均为沿晶裂纹,内部腐蚀坑 已连接在一起。
2.4 力学性能
由表2可见:试样的抗拉强度和屈服强度满足 标准要求,但 断 后 伸 长 率 和 断 面 收 缩 率 低 于 标 准 RCCM M5110对 X6CrNiCu17-04的要求。
由 表3可 见 :试 样 的 硬 度 较 均 匀 ,平 均 值 为381HB,满足标准 RCCM M5110对 X6CrNiCu17- 04的硬度要求。
2.5 SEM 观察和能谱分析
由图7和8可见:断口表面覆盖了一层明显的 腐蚀产物,边缘及中间位置均为典型的沿晶破坏特 征;紧邻断口边缘处和阀杆表面均存在明显的点腐 蚀坑。
3 失效原因
从形貌观察结果可知,阀杆表面散布着较多的 点腐蚀坑,剖开这些蚀坑可见蚀坑很深,并彼此有连 接现象。在蚀坑前沿,微观上腐蚀以沿晶形式向基 体深入。特别是断口附近区域,存在着同断口方向 相同的晶间腐蚀特征。这表明阀杆断裂是点蚀和晶间腐蚀的共同作用造成的。
17-4PH(X6CrNiCu17-04)是 一 种 沉 淀 硬 化 马 氏体不锈钢,通过在马氏体基体上析出富铜的ε相 而强化。其特点是具有高屈强比,强韧性配合好,缺 点是铬含量低,仅耐弱腐蚀介质的腐蚀,在海水等中 强腐蚀介质中的耐蚀性不高,容易发生点蚀。
理化分析结果表明,断裂阀杆的化学成分和硬 度满足标准要求;显微组织为回火马氏体基体+较 多沉淀析出相,部分析出相相互聚集成线状,晶界存 在明显的粗化现象;硬度和强度指标满足标准中的 A 级指标要求,但室温塑性明显低于标准 A 级指标 要求,甚至低于 B级指标要求。晶界存在明显的粗 化现 象,可 能 与 热 处 理 工 艺 不 当 有 关。 当 晶 界 Cr23C6沉淀速度快于 Cr元素的扩散速度,补给晶 界区的 Cr量不足以抵偿消耗的 Cr量时,一旦贫铬 区的Cr量低到一定程度,就会使材料出现晶间腐蚀 倾向。上述过程将导致材料的塑韧性和耐蚀性降 低,并易引发晶间腐蚀。
4 结论及建议
在点蚀和晶间腐蚀的共同作用下,阀杆最终发生了断裂失效。究其原因是17-4PH(X6CrNiCu17- 04)钢的耐海水腐蚀性不高,加之热处理工艺不当导 致晶界贫Cr引发晶间腐蚀,进一步恶化了材料的耐 海水腐蚀性。将 17-4PH(X6CrNiCu17-04)作为阀 杆材料直接暴露在海水环境中,即使阀杆材料的制 造质量合格,也难免在使用一段时间后不发生点腐 蚀,且随着蚀坑不断深入,最终也会导致阀杆断裂失 效。因此,建议优化阀杆选材,将阀杆材料更换为更 耐海水腐蚀的材料,比如超级双相不锈钢等。在替 代过程中,应注意确保新材料的制造质量满足相关标准要求。
参考文献:
[1] 方顺发.40Crl7NiCu44CuNb4钢制叶片的热处理[J]. 热处理,2003,Nb18钢制叶片的热处理[J].热处理, 2003,(4):32-35.
[2] 卢志明等.316L 不锈钢应力腐蚀敏感性指数计算与 回归分析[J].浙江工业大学学报,2007,35(2):198- 201.
[3] WANG T,LIZ,FUS H,etal.Hotdeformationbehaviorand microstructureofU720Lialloy[J].AdvancedMaterialsResearch,2013,709:143-147.