孫 旭，寧玉恒，劉 群

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所 金屬室，長(zhǎng)春 130012)

TP304不銹鋼三通失效分析

孫 旭，寧玉恒，劉 群

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所 金屬室，長(zhǎng)春 130012)

電廠脫硝設(shè)施中所使用的TP304不銹鋼三通出現(xiàn)裂紋缺陷，通過成分分析、斷口宏觀和微觀分析、微觀組織觀察、硬度檢測(cè)，并結(jié)合生產(chǎn)工藝對(duì)三通裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：材料中Ni含量偏低使材料的奧氏體穩(wěn)定化程度降低；基體內(nèi)含有的2.5～3.0級(jí)球狀非金屬夾雜物對(duì)基體造成撕裂作用，促進(jìn)疲勞裂紋的萌生；同時(shí)，三通在加工完成后也缺少固溶處理步驟，使得材料內(nèi)應(yīng)力過大。這些原因綜合導(dǎo)致材料奧氏體含量降低，硬度過高，同時(shí)造成材料塑性變形部位內(nèi)應(yīng)力過高，在支管頸部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象。三通內(nèi)表面同時(shí)存在大量加工損傷，強(qiáng)化了應(yīng)力集中現(xiàn)象，在疲勞載荷的作用下，促進(jìn)了三通裂紋的萌生。

三通；裂紋；失效分析；疲勞；固溶處理

0 引言

不銹鋼被廣泛應(yīng)用在食品、石化產(chǎn)品和電力等行業(yè)。特別是奧氏體不銹鋼更是擁有出色的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性。奧氏體不銹鋼中Cr含量通常為18%～20%、Ni含量為8%～10.5%，C含量低于0.08%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))，并含有微量的Si、N、Mn。高鉻含量會(huì)促進(jìn)鋼鐵表面形成致密的鈍化層，提高材料的室溫和高溫耐腐蝕性。Ni和Mn的添加會(huì)穩(wěn)定奧氏體組織。低碳含量能夠有效避免晶界位置鉻碳化物的形成，避免脆化和敏化現(xiàn)象[1-6]。

不銹鋼三通是在不銹鋼管的基礎(chǔ)上下料，通過冷拔(擠壓)的方式加工而成，但是奧氏體有非常顯著的加工硬化現(xiàn)象，因此ASME I 鍋爐和壓力容器規(guī)范(第1卷)動(dòng)力鍋爐建造規(guī)范要求不銹鋼在冷加工后要進(jìn)行固溶熱處理，如果固溶處理不當(dāng)或未進(jìn)行固溶處理，對(duì)不銹鋼的使用性能會(huì)造成很大的影響。

電廠脫硝設(shè)施中所使用的TP304不銹鋼三通自2015年以來相繼出現(xiàn)失效現(xiàn)象。該廠采用選擇性催化脫硝法(SCR)工藝，以液氨為脫硝劑，氨區(qū)自2014-11-30開始投運(yùn)。自2015-04-24，氮?dú)廪D(zhuǎn)換三通、調(diào)節(jié)門后三通、調(diào)節(jié)旁路三通相繼出現(xiàn)開裂情況。泄漏時(shí)，氨泄漏報(bào)警儀數(shù)值自15.18 mg/m3至75.9 mg/m3。裂紋較大時(shí)肉眼可見裂紋處有白霧狀氣體，裂紋較小時(shí)需采用肥皂水檢測(cè)。泄漏時(shí)，裂紋較大次數(shù)占大多數(shù)。

本研究針對(duì)三通失效現(xiàn)象，通過對(duì)三通材質(zhì)、熱加工工藝及力學(xué)性能等方面的研究，對(duì)三通裂紋的萌生及擴(kuò)展原因進(jìn)行綜合分析，對(duì)相似失效問題具有重要指導(dǎo)和借鑒意義。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

試驗(yàn)樣品為乙緩沖槽入口調(diào)節(jié)門后三通，材質(zhì)為TP304不銹鋼，三通規(guī)格為DN80×15 mm，PN2.5。蒸發(fā)槽水浴溫度為50～60 ℃，氣氨溫度為50 ℃。蒸發(fā)槽出口振動(dòng)為0.02～0.035 mm。

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)開裂三通進(jìn)行化學(xué)成分分析(采用的分析設(shè)備為電火花直讀光譜)，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明：開裂三通成分中的主要合金元素Cr和Ni含量低于三通生產(chǎn)廠家執(zhí)行的GB/T 12459—2005中引用GB/T 3280的要求。

1.2 宏觀分析

解剖后的開裂三通宏觀照片如圖1所示。在三通的支管頸部位置可見6條明顯裂紋，分別用1～6進(jìn)行標(biāo)注。從圖中可見，裂紋1位置有補(bǔ)焊痕跡，材料組織會(huì)受影響產(chǎn)生變化。裂紋2和裂紋5、6位置完好，因此對(duì)該處位置取樣進(jìn)行斷口分析。取樣后的裂紋2、5的宏觀形貌如圖2所示。從裂紋試樣內(nèi)表面可以觀察到明顯的冷加工變性損傷痕跡，裂紋5位置恰與變形損傷位置重疊(圖2d)。

1.3 斷口分析

對(duì)裂紋2進(jìn)行斷口分析。裂紋斷口表面可分為兩個(gè)典型區(qū)域，分別標(biāo)記為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)(圖3a)，Ⅰ區(qū)顏色略深，Ⅱ區(qū)顏色較淺。根據(jù)“斷面氧化顏色法”可以確定[7]，顏色較深的區(qū)域一般為開裂時(shí)間較早的區(qū)域。將斷口進(jìn)一步細(xì)分為A、B、C三區(qū)，A、B為緩慢擴(kuò)展區(qū)，C區(qū)為快速斷裂區(qū)，呈明顯脆性斷裂形貌(圖3b)。綜合放射棱線的走向判斷可以確定[7]，裂紋始于A區(qū)，向B區(qū)擴(kuò)展，A區(qū)靠近三通內(nèi)表面，即裂紋萌生于三通內(nèi)壁，由內(nèi)向外不斷擴(kuò)展，最終形成外表面的開裂。

1.4 微觀組織分析

取另批質(zhì)量合格的同規(guī)格三通作為對(duì)比三通與開裂三通進(jìn)行對(duì)比，取樣位置均為垂直主管軸向靠近支管根部的位置。圖4a、圖4b為對(duì)比三通和開裂三通的拋光態(tài)金相組織圖。對(duì)比兩圖可以看出，開裂三通基體內(nèi)的夾雜物尺寸明顯比對(duì)比三通大，且數(shù)量多。根據(jù)GB/T 10561—2009對(duì)開裂三通內(nèi)的夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)：其為D類球狀氧化物，級(jí)別2.5級(jí)，即100倍光學(xué)顯微鏡，單個(gè)視場(chǎng)內(nèi)夾雜物個(gè)數(shù)為25～36個(gè)，大多數(shù)單個(gè)夾雜物直徑尺寸約為3～8 μm，部分較大夾雜物尺寸可近似達(dá)到10 μm。

表1 開裂三通材質(zhì)TP304不銹鋼化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

圖2 裂紋2和裂紋5宏觀形貌

圖3 裂紋2的宏觀斷口形貌

圖4c、圖4d為對(duì)比三通和開裂三通的浸蝕態(tài)金相組織圖。對(duì)比兩圖可以看出，金相組織均為奧氏體，開裂三通的晶粒尺寸要比對(duì)比三通晶粒尺寸小，且晶界不平直。圖4e、圖4f為對(duì)比三通和開裂三通的SEM觀察圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)開裂三通組織中除了大塊奧氏體組織外，部分組織發(fā)生相變。在被王水浸蝕后殘留下針條狀馬氏體組織，證明開裂三通組織出現(xiàn)部分不穩(wěn)定奧氏體變形后向馬氏體轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象[8]。

圖5為開裂三通中夾雜物的SEM圖及1#位置夾雜物的EDS能譜分析曲線，具體元素組成見表2。據(jù)文獻(xiàn)[9-11]介紹，通常Si脫氧304不銹鋼主要形成硅酸鹽復(fù)合夾雜物，夾雜物的主要成分為CaO-SiO2-Al2O3以及少量的MnS、Cr2O3、MnS、TiO2，表2中測(cè)得的開裂三通夾雜物成分與這些夾雜物化合物的成分基本一致。

圖4 對(duì)比三通和開裂三通微觀組織圖

表2 夾雜物化學(xué)成分EDS能譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

1.5 斷口分析

采用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察和分析，見圖6、圖7。圖6a為裂紋起始位置(Ⅰ區(qū))，圖6b為裂紋起源—擴(kuò)展交界區(qū)。從裂紋源區(qū)斷口形貌上看，斷口較平坦，裂紋源區(qū)斷口表現(xiàn)為穿晶開裂特征，裂紋起始位置表面氧化較嚴(yán)重(圖6c)，EDS成分分析為含Si、S、Ca等元素的氧化物，腐蝕產(chǎn)物EDS能譜分析結(jié)果見表3。在裂紋擴(kuò)展區(qū)可見明顯晶界，為穿晶/沿晶混合開裂(圖6d)。圖7a為裂紋擴(kuò)展區(qū)穿晶/沿晶混合開裂掃描電鏡圖像，圖7b為裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞開裂的微觀特征疲勞條帶。

圖5 夾雜物的SEM圖及EDS能譜分析

圖6 斷口掃描電鏡形貌

ElementCONaMgAlSiPSClCaTiCrMnNiFeContent19．319．961．950．580．292．450．212．650．180．402．936．670．831．90Bal．

1.6 硬度檢測(cè)

根據(jù)GB 13296—2013規(guī)定，鍋爐用304奧氏體不銹鋼管的硬度不允許超過HV 220，而開裂三通的顯微硬度值為HV 452。硬度測(cè)試結(jié)果表明開裂三通材質(zhì)硬度過高。

2 分析與討論

通過對(duì)裂紋斷口的宏觀和微觀特征觀察，可以得出開裂三通的失效方式屬于疲勞失效。由使用環(huán)境可知，三通工作溫度和壓力都較低，但是在工作過程中受振動(dòng)作用，所以可以推斷三通開裂的疲勞載荷來源為振動(dòng)載荷。

通過對(duì)材料進(jìn)行成分分析和金相組織觀察可以發(fā)現(xiàn)，Ni是奧氏體穩(wěn)定化元素，其含量低于標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)影響奧氏體的穩(wěn)定性，會(huì)促進(jìn)變形后不穩(wěn)定化奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，造成材料硬度、強(qiáng)度變高，塑性變低。同時(shí)該批三通內(nèi)部也存在較多的非金屬夾雜物。夾雜物的存在對(duì)基體存在割裂作用，并造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。這些微觀組織的變化使得材料內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力作用，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生[4]。

圖7 斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)掃描電鏡形貌

三通執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定三通需要進(jìn)行固溶處理，固溶處理的目的是降低材料的硬度，提高其韌性，消除材料內(nèi)應(yīng)力，防止材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕或應(yīng)力開裂的現(xiàn)象。失效三通的顯微硬度為HV 452，其遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的HV 220上限值，說明三通未進(jìn)行固溶處理導(dǎo)致材料硬度升高，增加了材料的內(nèi)部殘余應(yīng)力。因此，未進(jìn)行變形后固溶處理的三通，在內(nèi)表面存在大量冷加工變形損傷痕跡的條件下，更加大了損傷位置的應(yīng)力集中程度，加速了疲勞裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1)三通材質(zhì)中主要合金元素Cr和Ni不達(dá)標(biāo)。Ni含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，這會(huì)降低奧氏體穩(wěn)定化程度，促進(jìn)變形后不穩(wěn)定化奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，造成材料硬度、強(qiáng)度變高，塑性變低。

2)開裂三通基體中夾雜物數(shù)量較多，球狀?yuàn)A雜物的存在會(huì)加大交變載荷下的應(yīng)力集中現(xiàn)象，促進(jìn)疲勞裂紋的萌生。

3)三通未進(jìn)行固溶處理導(dǎo)致材料硬度升高，增加了材料的內(nèi)部殘余應(yīng)力。

4)開裂三通的失效形式為疲勞失效。同時(shí)材料內(nèi)表面存在的大量加工變形損傷加大了材料的應(yīng)力集中程度，在振動(dòng)載荷作用下，裂紋從三通內(nèi)壁開始萌生，以疲勞方式逐漸擴(kuò)展，最終形成疲勞裂紋。

[1] 冷啟霜. 某熱電廠TP304不銹鋼管泄漏分析[J]. 機(jī)械工程師,2010(3):49-50.

[2] Luder D, Hundhausen T, Kaminsky E, et al. Failure analysis and metallurgical transitions in SS 304L air pipe caused by local overheating[J]. Engineering Failure Analysis,2016,59:292-303.

[3] 張振宇,燕翔,徐曉東,等. 不銹鋼導(dǎo)管泄漏原因分析[J]. 失效分析與預(yù)防,2011,6(2):119-123.

[4] 羅宏,龔敏. 奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2006,18(5):357-360.

[5] Moura V, Kina Y A, Tavares S S M, et al. Investigation of cracks and sensitization in an AISI 304L stainless steel exposed to 500～600 ℃[J]. Engineering Failure Analysis,2009,16(1): 545-551.

[6] Singh P J, Guha B, Achar D R G. Fatigue life improvement of AISI 304L cruciform welded joints by cryogenic treatment[J]. Engineering Failure Analysis,2003,10(1): 1-12.

[7] 劉新靈,張衛(wèi)方,陶春虎. 疲勞損傷定量分析與失效評(píng)估研究進(jìn)展[J]. 失效分析與預(yù)防,2006,1(1):35-39.

[8] 徐建林,居春艷,季根順. 不銹鋼相變的研究進(jìn)展[J]. 熱加工工藝,2008,37(14):104-107.

[9] 張愛梅. 非金屬夾雜物對(duì)鋼性能的影響[J]. 物理測(cè)試,2006,24(4):42-44.

[10] 李雙江,李陽,姜周華,等. 304 奧氏體不銹鋼夾雜物的冶金行為[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(3):402-405.

[11] 賈波,李春光. 夾雜物對(duì)粉末高溫合金損傷行為的影響[J]. 失效分析與預(yù)防,2006,1(2):29-32.

Failure Analysis of TP304 Stainless Steel Tee

SUN Xu，NING Yu-heng，LIU Qun

(DatangNortheastElectricPowerTestandResearchInstitute,Changchun130012,China)

Cracks formed in a TP304 stainless steel tee in the denitration facilities of a power plant. The failure cause of the tee was studied by means of composition analysis, macroscopic and microscopic analysis, microstructure observation and hardness measurement, as well as production process analysis. The results show that the Ni content of material is lower than the standard requirement, which reduced the stabilization degree of austenite. Spherical non-metallic inclusions with the scale of 2.5～3.0 in the substrate had tearing effect on matrix and promoted the initiation of fatigue crack. There is also no solid solution treatment in the production, resulting in excessive internal stress. The factors above led to the lower content of austenite, higher hardness, and higher local stress concentration. In addition, there are lots of processing damages on the inner surface of tee, aggravating the stress concentration phenomenon. Ultimately, under the action of fatigue load, the crack initiated.

tee; crack; failure analysis; fatigue; solution treatment

2016年7月18日

2016年9月23日

孫旭(1988年-)，男，博士，工程師，主要從事金屬材料等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.05.009

1673-6214(2016)05-0309-06