鑄造不銹鋼閥體裂紋分析

孔祥夷，王家幫，趙 晶，王 焱

(河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016)

0 引言

某石化廠自動切斷閥閥體，其工作溫度360～380℃，工作壓力2.8 MPa，工作介質為含氫量大于55%的變換氣。該閥體除密封環外，其余為整體鑄造成型(包括3個法蘭)，閥體內部結構見圖1。在設備例行安全檢查時發現閥體出現大量裂紋，主要集中在雙閘板密封環所在的進出口直段與閥體內壁相貫處，進一步檢查后發現裂紋由內表面起源，向外表面擴展，在開裂最嚴重處多條裂紋已貫穿閥體，變換氣出現泄漏，嚴重影響了生產工藝安全。為保證設備的安全運行，防止類似情況再次發生，有必要對裂紋性質及形成原因進行分析，從而提出防止裂紋的措施。

1 化學成分分析

該鑄造閥體材質ZG08Cr18Ni9，最小壁厚42 mm，最大壁厚(閥底處)85 mm。在閥體母材處鉆孔取樣并進行化學成分分析，分析結果見表1。

依據GB/T 12230—2005《通用閥門 不銹鋼鑄件技術條件》［1］可以判定，材料的C，Si含量偏高，這兩種元素含量偏高會降低材料的塑性和韌性，且Si含量偏高則會提高材料冷變形加工硬化率，降低焊接性能［2］。另外，C含量偏高還增加材料鑄造時的冷裂傾向［3］。

圖1 閥體內部結構示意

表1 化學成分檢驗結果 %

2 力學性能試驗

在閥體無可見裂紋的不同部位各取4個樣品，分別進行常溫沖擊試驗、常溫拉伸試驗，試驗結果見表2。

表2 力學性能試驗結果

試驗結果表明:材料的屈服強度、伸長率收縮率均符合GB/T 12230—2005《通用閥門 不銹鋼鑄件技術條件》［1］中ZG08Cr18Ni9不銹鋼性能標準的要求，但4個試樣中只有一個試樣的抗拉強度符合標準要求;而不同試樣的沖擊韌性相差較大。

拉伸試驗中，力學性能達到標準要求的拉伸樣斷口見圖2(a)，一試樣剛出現屈服便發生斷裂，其斷口表面大部分區域呈小顆粒形貌，見圖2(b)。

圖2 試樣的力學試驗形貌

3 裂紋特征

3.1 宏觀形貌分析

為對閥體失效原因進行全面了解，通過取樣進行宏觀觀察，發現裂紋具有以下宏觀特征:外表面裂紋主要集中在雙閘板密封環所在的進出口直段與閥體內壁相貫處，裂紋呈現斷續、分散分布的特征，裂紋部位未見宏觀塑性變形，見圖3;材料內部的裂紋相對呈現為較連續、細小、樹枝狀的形貌，見圖4;閥體材料內部存在宏觀鑄造縮孔及非金屬夾雜物，見圖5。

圖3 閥體外表面裂紋形貌

3.2 微觀形貌分析

圖6示出微觀裂紋形態。可以看出，所有裂紋均起源于閥體內表面，由內向外伸展，多條裂紋已貫穿閥體。裂紋為穿晶型，有分支。閥體內外表面沒有現成的斷口表面，因此，為了解裂紋內部裂面形貌，取裂紋表面及強制解體斷口進行掃描電鏡分析。

圖4 材料內部裂紋形貌

圖5 閥體分散性裂紋

圖6 微觀裂紋形態 25×

微觀觀察結果表明:取閥體含裂紋樣的裂紋打開，斷口表面具有層片狀的解理臺階形貌，見圖7(a);取圖2(b)中斷口進行電鏡掃描，發現斷口表面有較多鑄造缺陷，見圖7(b);取進出口直段與閥體內壁相貫交接處的裂紋樣并將裂紋打開，同樣發現解理形貌及鑄造疏松缺陷，見圖7(c)和(e);進出口直段與閥體內壁相貫處的裂紋表面，除鑄造缺陷外，還存在自解理面中心向四周發散的河流狀形貌，見圖7(d);在密封環與閥體焊接熱影響區附近取樣發現，其中一個含裂紋試樣其斷口具有沿晶斷裂特征，見圖7(f);取圖2(a)中斷口進行觀察，發現其斷口為正常的韌窩形貌，見圖7(g)。

圖7 試樣的微觀形貌

4 金相組織分析

主要觀察了以下幾個部位的金相組織形態:(1)閥體外表面;(2)閥體內表面;(3)閥體相貫部位焊縫及附近母材;(4)沿壁厚方向。

金相檢驗結果表明:

(1)閥體外表面組織整體上顯示為等軸奧氏體，但晶粒大小不均，最大晶粒尺度超過0.5 mm，最小尺度＜0.05 mm，局部晶粒存在絮狀擴散物，小晶粒集中區晶界存在雜質，見圖8(a);

(2)進出口直段與閥體相貫處存在裂紋，為穿晶型裂紋，且沿晶界有雜質或化合物析出、點狀異相，見圖8(b);材料內部存在尺寸較大的夾雜物及孔洞，見圖8(c);

(3)焊縫組織呈枝晶分布，局部焊縫與母材未完全熔合，局部熱影響區的母材存在裂紋、晶粒大小嚴重不均，見圖8(d);密封環組織為孿晶奧氏體，內部存在大量短小穿晶型微裂紋，見圖8(e);

(4)沿閥體壁厚方向的剖面方位清晰可見近內外表面的柱狀晶形貌，見圖8(f)。

圖8(a)，(b)金相圖中，有分散點狀分布的碳化物相，但未在晶界形成連續網狀，由于閥體鑄造后并未做固溶處理，因此這些碳化物相是奧氏體不銹鋼鑄造中產生的，從金相判斷應該不會造成材料脆性斷裂;從閥體正常區域取樣的力學性能試驗也證明未發生脆性斷裂。

圖8 金相組織分析

5 閥體內部殘留物質物相分析

宏觀檢查時發現閥體內外部存在不少沉積物，為了解殘留沉積物的成分及其可能對閥體裂紋產生的不良影響，從閥體內外不同部位提取殘留物質進行X射線熒光分析，結果見表3。

表3 閥體殘留物質物相分析結果 %

從閥體前后內外部位提取沉積污垢樣進行X射線熒光分析，結果顯示沉積污垢樣內均含有K，Na，Cl，S等元素。由于閥體出現貫穿裂紋導致變換氣泄漏，而變換氣中含有Na，Cl，S等離子，因此造成了閥體外部沉積物污垢內Na，S，Cl化合物濃度均比較高。Cl－和S是造成應力腐蝕及連多硫酸腐蝕的重要因素［4－5］，Cl－和 S 主要來源于變換氣，K主要來源于外部環境。當Cl－存在且材料受到拉應力作用時極易發生應力腐蝕開裂。

微觀形貌分析中，圖7(a)，(d)，(e)有臺階狀特征和河流特征，斷口為穿晶解理斷裂，圖7(f)沿晶腐蝕形貌突出。均為Cl－應力腐蝕的特征。

6 分析與討論

由于奧氏體不銹鋼為面心立方結構，而面心立方結構的金屬由于沒有可解離的晶面，因此僅僅在拉應力的作用下不會發生解離斷裂，只有在應力和特定介質共同作用下的應力腐蝕斷裂才會發生解離斷裂。此閥門在工作中承受內壓，使得閥體主要受到拉應力的作用，而變換氣由于處理工藝的原因，其不可避免地會帶入Cl－，在拉應力和Cl－的共同作用下，發生了應力腐蝕。

由于此閥門的裂紋主要出現在雙閘板密封環所在的進出口直段與閥體內壁相貫處，而此部位正是制造和使用時的應力集中處，同時此處的幾何特征也使得Cl－容易在此處沉積，這多個條件的共同作用使閥體發生了應力腐蝕。同時由于密封環是通過焊接的方法與閥體連接，因此在熱影響區會使碳化物沿晶界析出，這種敏化作用的結果就使熱影響區部位易發生沿晶斷裂特征的應力腐蝕斷裂。

結合閥體使用工況及上述分析檢驗結果，閥體產生裂紋的原因如下:

(1)Cl－和S導致的應力腐蝕開裂是造成閥體產生裂紋的主要原因。

(2)閥體的鑄造缺陷嚴重，特別是材料晶粒大小不均勻問題突出，加速了裂紋的產生和擴展［6］。晶粒尺寸的差異致使閥體材料的力學性能劣化，而大尺度夾雜物的存在使材料的力學性能嚴重降低，同時，加速了材料發生晶間及點腐蝕的可能性［7－8］。

(3)閥體所處的內外介質環境，K，Na，Cl的同時存在，在表面裂紋形成的情況下，加快了裂紋的擴展。

7 預防措施

根據對閥體裂紋產生原因的分析可知，使用奧氏體不銹鋼無法從根本上消除材料的應力腐蝕開裂問題。但采取以下相應措施，可適當延長閥體的使用壽命:

(1)控制變換氣中的Cl－含量，防止Cl－在縫隙、污垢等處聚集;

(2)在鑄造過程中，考慮采用合理的工藝，以減少鑄造中可能產生的縮松、成分不均等缺陷，從而提高材料的力學性能及耐腐蝕性;

(3)優化閥體結構設計，避免在密封環所在的進出口直段與閥體內壁相貫處產生過大的應力集中現象。

［1］GB/T 12230—2005，通用閥門不銹鋼鑄件技術條件［S］.

［2］高宗仁.世界不銹鋼耐熱鋼牌號手冊［M］.太原:山西科學技術出版社，2006:14－19.

［3］陳國楨，肖柯則，姜不居.鑄件缺陷和對策手冊［M］.北京:機械工業出版社，2003:360.

［4］劉建忠.不銹鋼管道的應力腐蝕開裂及對策［J］.腐蝕與防護，2002，23(2):76 －78.

［5］黃毓暉，軒福貞，涂善東.304奧氏體不銹鋼在酸性氯離子溶液中應力腐蝕性能的研究［J］.壓力容器，2009，26(7):5 －10.

［6］崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理［M］.北京:機械工業出版社，2007:176.

［7］Di Schino A，Kenny J M.Effects of the Grain Size on the Corrosion Behavior of Refined AISI 304 Austenitic Stainless Steels［J］.Journal of Materials Science Letters，2002，(21):1631 －1634.

［8］郭智，李偉彥，葛樹濤.奧氏體不銹鋼復合板設備制造過程的點腐蝕［J］.壓力容器，2010，27(5):32－35.