铸造不锈钢阀体裂纹分析.pdf

铸造不锈钢阀体裂纹分析 孔祥夷， 王家帮， 赵晶， 王焱 河南省锅炉压力容器安全检测研究院， 河南 郑州4 5 0 0 1 6 摘要 对 Z G 0 8 C r l 8 N i 9不锈钢阀体 的化学成分、 力学性能、 裂纹特征、 阀体 内部残 留物质物相及金 相组织进行 了 分析。分析结果表明， 应力腐蚀开裂是造成阀体产生裂纹的根本原因， 阀体材料成 分中个别元素偏离标准及铸件缩松、 夹杂物多且缺陷尺寸过大加速了裂纹的产生与扩展。最后提 出了相应的预防措施。 关键词 铸造不锈钢 ； 缩松 ； 应力腐蚀开裂 ； 裂纹分析 中图分类号 T Q o 5 5 ． 8 ； T G 1 4 2 ． 7 1 文献标识码 B 文章编号 l O 0 l一 4 8 3 7 2 0 1 1 1 1 0 0 5 3 0 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 4 8 3 7 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 1 0 Cr a c k An a l y s i s o n Ca s t i n g S t a i n l e s s S t e e l Va l v e Bo d y KoNG Xi a n gy i ， WANG J i ab a n g， Z HAO J i n g， WANG Ya n H e n a n P r o v i n c e I n s t i t u t e o f B o i l e r s a n d P r e s s u r e V e s s e l S a f e t y T e s t i n g ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n，me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，c r a c k c h a r a c t e r i s t i c ， r e s i d u al s u b s t a n c e p h a s e i n v a l v e b o d y and mi c r o s t r u c t u r e o f t h e Z G 0 8 C r l 8 Ni 9 s t a i n l e s s s t e e l v a l v e we r e a n aly z e d ．T h e r e s u i t s i n d i c a t e d t h a t S C C wa s t h e r o o t c a u s e s o f c r a c k s ，a n d ma t e r i als c o mp o s i t i o n d e v i a t i o n f r o m t h e s t an d a r d s a n d t h e o v e r s i z e o f c a s t i n g s h rin k a g e p o r o s i t y a c c e l e r a t e d c r a c k s i n i t i a t i o n a n d p r o p a g a t i o n ．F i - n all y ，t h e r e l e v a n t p r e v e n t i v e me a s u r e s h a v e b e e n p u t f o r w a r d ． Ke y wo r d s c a s t i n g s t a i n l e s s s t e e l ； s h rin k a g e p o r o s i t y ； S C C； c r a c k an aly s i s 0 引言 某石化厂 自动切断阀阀体， 其工作温度 3 6 0 ～ 3 8 0℃， 工作压力 2 ． 8 M P a ， 工作介质为含氢量 大于 5 5 ％的变换气。该阀体除密封环外， 其余为 整体铸造成型 包括 3 个法兰 ， 阀体内部结构见 图 l 。在设备例行安全检查时发现阀体出现大量 裂纹 ， 主要集中在双闸板 密封环所在 的进出 口直 段与阀体内壁相贯处， 进一步检查后发现裂纹由 内表面起源 ， 向外表面扩展， 在开裂最严重处多条 裂纹已贯穿阀体， 变换气出现泄漏， 严重影响了生 产工艺安全。为保证设备的安全运行， 防止类似 情况再次发生， 有必要对裂纹性质及形成原 因进 行分析 ， 从而提出防止裂纹的措施。 1 化学成分分析 该铸造阀体材质 Z G O 8 C r l 8 N i9 ， 最小壁厚 4 2 m m， 最大壁厚 阀底处 8 5 m m 。在阀体母材处钻 孑 L 取样并进行化学成分分析， 分析结果见表 1 。 依据 G B ／ T 1 2 2 3 0 --2 0 0 5 通用阀门 不锈钢 铸件技术条件 可以判定， 材料的c ， s i 含量偏 高 ， 这两种元素含量偏高会降低材料的塑性和韧 5 3 铸造不锈钢阀体裂纹分析 图 1 阀体内部结构示意 断口 表面大部分区域呈小颗粒形貌， 见图 2 b 。 a 正常断口 b 非正常断口 图2 试样的力学试验形貌 表1 化学成分检验结果 ％ 3 裂纹特征 元 素 C S P Mn S i C r N i 实测值 0 ． 0 9 1 0 ． 0 1 2 O ． O 2 8 1 ． 1 3 1 ． 6 2 l 8 ． 0 8 9 ． 1 2 性， 且 s i 含量偏高则会提高材料冷变形加工硬化 率 ， 降低焊接性能 。另外 ， C含量偏高还增加材 料铸造时的冷裂倾向 。 2 力学性能试验 在阀体无可见裂纹的不同部位各取 4个样 品， 分别进行常温冲击试验、 常温拉伸试验， 试验 结果见表 2 。 表 2 力学性能试验结果 编 冲击功A 冲击韧性 屈服强度 抗拉强度 断后伸长率 号 ／ J ／ J c m一 ／ 蛐P a ／ M P la ， ％ 1 2 0 1 ． 5 0 2 5 2 2 5 6． 3 4 1 5 ． 2 3 6 2 1 7 6 ． 3 0 2 1 7 2 6 5 ． O 3 4 6 ． 8 异常断裂 3 1 6 1 1 9 6 2 7 6． 5 4 5 7． 2 3 7 4 2 4 8 ． 2 夹头脆裂 试验结果表明 材料的屈服强度、 伸长率收缩 率均符合 G B ／ T 1 2 2 3 0 --2 0 0 5 通用阀门 不锈钢 铸件技术条件 中Z G 0 8 C r l 8 N i9不锈钢性能标 准的要求， 但4个试样中只有一个试样的抗拉强 度符合标准要求； 而不同试样的冲击韧性相差较大。 拉伸试验中， 力学性能达到标准要求的拉伸样 断口 见图2 a ， 一试样刚出现屈服便发生断裂， 其 5 4 3 ． 1 宏 观形 貌分析 为对阀体失效原因进行全面了解， 通过取样 进行宏观观察， 发现裂纹具有以下宏观特征 外表 面裂纹主要集 中在双闸板密封环所在的进出口直 段与阀体内壁相贯处， 裂纹呈现断续、 分散分布的 特征 ， 裂纹部位未见宏观塑性变形 ， 见图 3 ； 材料 内部的裂纹相对呈现为较连续、 细小、 树枝状的形 貌， 见图4 ； 阀体材料内部存在宏观铸造缩孔及非 金属夹杂物 ， 见图 5 。 图3 阀体外表面裂纹形貌 3 ． 2 微观形貌分析 图6 示出微观裂纹形态。可以看出， 所有裂 纹均起源于阀体内表面， 由内向外伸展， 多条裂纹 已贯穿阀体。裂纹为穿晶型， 有分支。阀体内外 表面没有现成的断 口表面， 因此， 为了解裂纹内部 裂面形貌， 取裂纹表面及强制解体断口进行扫描 电镜分析。 C P V T 铸造不锈钢阀体裂纹分析 何特征也使得 C l 一 容易在此处沉积 ， 这多个 条件 的共同作用使阀体发生了应力腐蚀。同时由于密 封环是通过焊接 的方法与阀体连接 ， 因此在热影 响区会使碳化物沿 晶界析出， 这种敏化作用 的结 果就使热影响区部位易发生沿晶断裂特征的应力 腐蚀断裂。 结合阀体使用工况及上述分析检验结果， 阀 体产生裂纹的原因如下 1 c l 一 和 s导致的应力腐蚀 开裂是造成 阀 体产生裂纹的主要原 因。 2 阀体 的铸造缺 陷严重 ， 特别是材料 晶粒 大小不 均匀 问题 突 出， 加 速 了裂纹 的产 生和 扩 展 。晶粒尺寸的差异致使阀体材料的力学性 能劣化， 而大尺度夹杂物的存在使材料的力学性 能严重降低 ， 同时 ， 加速 了材料发生晶间及点腐蚀 的可能性 。 3 阀体所处 的内外介质环境 ， K， N a ， C l 的 同时存在 ， 在表面裂纹形成的情况下 ， 加快 了裂纹 的扩展。 7 预防措施 根据对阀体裂纹产生原 因的分析可知 ， 使用 奥 氏体不锈钢无法从根本上消除材料 的应力腐蚀 开裂问题。但采取 以下相应措施 ， 可适当延长 阀 体 的使用寿命 1 控制变换气中的 C l 一 含量 ， 防止 C l 一 在缝 隙 、 污垢等处聚集； 2 在铸造过程 中， 考虑采用合理 的工艺， 以 减少铸造中可能产生的缩松、 成分不均等缺陷， 从 而提高材料的力学性能及耐腐蚀性； 3 优化 阀体 结构设 计 ， 避免在 密封环所 在 的进出口直段与阀体内壁相贯处产生过大的应力 集中现象。 参考文献 G B ／ T 1 2 2 3 0 --2 0 0 5 ， 通用阀门 不锈钢铸件技术条件 [ s ] ． 高宗仁． 世界不锈钢耐热钢牌号手册[ M] ． 太原 山 西科学技术出版社， 2 0 0 6 1 41 9 ． 陈国桢， 肖柯则 ， 姜不居． 铸件缺 陷和对 策手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 3 3 6 0 ． 刘建忠． 不锈钢管道的应力腐蚀开裂及对策[ J ] ． 腐 蚀与防护， 2 0 0 2 ， 2 3 2 7 6 7 8 ． 黄毓晖， 轩福贞， 涂善东． 3 0 4奥氏体不锈钢在酸性 氯离子溶液中应力腐蚀性能的研究 [ J ] ． 压力容器， 2 0 0 9 ， 2 6 7 51 0 ． 崔忠圻， 覃耀春． 金属学与热处理[ M] ． 北京 机械 工业出版社， 2 0 0 7 1 7 6 ． D i S c h i n o A． Ke n n y J M．E ffe c t s o f t h e G r a i n S i z e O i l t h e C o r r o s i o n B e h a v i o r o f Re f i n e d AI s 1 3 04 Au s t e n i t i c S t a i n l e s s S t e e l s 『 J ] ．J o u r n a l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e L e t t e a， 2 0 0 2 ， 2 1 1 6 3 1 1 6 3 4 ． 郭智， 李伟彦 ， 葛树涛． 奥氏体不锈钢复合板设备制 造过程的点腐蚀[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 0 ， 2 7 5 3 2 35． 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 2 1 修稿 日期 2 0 1 1 0 9一l 8 作者简介 孔祥夷 1 9 7 6一 ， 男， 工程师， 主要从事特种设 备检验工作， 通信地址 4 5 0 0 1 6河南省郑州市经济开发区 第四大街与经南一路交叉口河南省锅炉压力容器安全检 测研究院。 上接第 2 o页 [ 1 2 ] 郑远谋． 爆炸焊接金属复合材料中的飞线[ J ] ． 上 海金属 有色分册 ， 1 9 9 2 ， 1 3 3 1 6 2 3 ． [ 1 3 ] 杨扬， 张新明， 李正华 ， 等． 一 钛／ 低碳钢爆炸复合 界面结合层 内的绝热剪切现象 [ J ] ． 材料工程， 1 9 9 4 ， 8 9 7 4 7 7 ． [ 1 4 ] 苏铁建， 王超， 李树奎， 等． 钢的导强比与绝热剪切 敏感性关系的研究[ J ] ． 兵器材料学与工程， 2 0 0 5 ， 2 8 2 13 ． [ 1 5 ] 裴海祥， 王立新 ， 张寿禄 ， 等． 爆炸复合板界面微观 组织分析[ J ] ． 压力容器， 2 0 0 2 ， 1 9 1 1 1 1 1 4 ． [ 1 6 ] 李炎， 吴逸贵， 张芳松 ， 等． 3 1 6 IM2 0 g 爆炸焊接复合 5 8 界面的研究[ J ] ． 洛阳工学院学报 ， 1 9 9 4 ， 1 5 1 7 ～ l1 ． [ 1 7 ] ．张宝奇 ， 王德和， 李晓杰， 等． 3 2 11 5 C r Mo R爆炸 焊接复合板结合界面区的显微组织分析[ J ] ． 焊接 学报， 2 0 0 6， 2 7 2 1 0 8 1 1 2 ． 收稿日期 2 0 1 1 0 920修稿日期 2 0 1 1 1 1 0 8 作者简介 王鹏 1 9 8 6一 ， 男 ， 主要从事爆炸焊接及压力 容器方面研究， 通信地址 1 1 0 1 5 9辽宁省沈阳市浑南新区 南屏中路 6号沈阳理工大学研究生学院 0 9级 6班 ， E ma i l wa n g p e n g-4 5 8 5 3 7 8 4 1 6 3 ． e o m。 ] j] J] J] J] ●J] J