高壓氣瓶漏氣分析

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(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，洛陽(yáng) 471009)

2016年4月，在某飛行器測(cè)試過(guò)程中發(fā)生未解鎖故障，為舵機(jī)提供動(dòng)力的氣源裝置無(wú)法正常工作，逐級(jí)拆解后發(fā)現(xiàn)其中氣瓶貯存的氣體全部漏光，無(wú)法驅(qū)動(dòng)舵機(jī)完成規(guī)定動(dòng)作。舵機(jī)是飛行器飛行控制的關(guān)鍵部件，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將導(dǎo)致其失去機(jī)動(dòng)能力，無(wú)法工作，因此非常有必要對(duì)小氣瓶漏氣的原因進(jìn)行分析。小氣瓶所用材料為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al合金，本工作對(duì)故障件進(jìn)行了各項(xiàng)檢測(cè)，并分析了其失效原因。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 漏氣部位形貌觀(guān)察

為查找漏氣部位，向漏氣的氣瓶中通入高壓氣體并置入盛有酒精的玻璃燒杯中，小氣瓶瓶頭位置有連續(xù)氣泡冒出。用檢漏液對(duì)瓶頭和密封錐密封進(jìn)行了涂抹，密封錐無(wú)氣泡冒出，瓶頭頂部的銹斑處檢漏液呈細(xì)小的密集氣泡狀。將檢漏液去除后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，漏氣部位位于瓶頭與密封錐交界處,并可見(jiàn)一直徑約3 cm的黃色銹斑，見(jiàn)圖1。放大后觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，銹斑位置可見(jiàn)徑向裂紋及點(diǎn)蝕坑，見(jiàn)圖2。

1.2 化學(xué)成分分析

從漏氣氣瓶的瓶頭漏氣部位附近取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明：漏氣氣瓶的材料成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 漏氣部位的位置及形貌Fig. 1 Location and appearance of the leaky part

圖2 漏氣部位的裂紋及點(diǎn)蝕坑Fig. 2 Cracks and corrosion pits on the leaky part

1.3 金相觀(guān)察

從漏氣氣瓶的瓶頭漏氣部位附近截取縱向金相試樣，磨制拋光腐蝕后觀(guān)察，結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明：漏氣氣瓶材料的組織為馬氏體+少量殘余奧氏體+呈帶狀分布的δ鐵素體，漏氣部位組織與瓶頭其他位置的組織未見(jiàn)明顯區(qū)別。

1.4 非金屬夾雜物測(cè)試

從漏氣氣瓶的瓶頭位置取樣，采用GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中ASTM標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖B法，對(duì)非金屬夾雜物含量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，漏氣氣瓶材料中的非金屬夾雜物含量較高。

1.5 硬度測(cè)試

對(duì)漏氣氣瓶的瓶頭位置進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果表明，該處硬度約為51.0 HRC。該處硬度與相同熱處理 條件下中國(guó)航空材料手冊(cè)中的規(guī)定值(50.5HRC)基本一致。

(a) 低倍 (b)高倍，δ鐵素體 (c)高倍，殘余奧氏體圖3 漏氣氣瓶的金相組織Fig. 3 Metallographic structure of the leaky cylinder：(a) at low magnification; (b) at high magnification, δ ferrite; (c) at high magnification, residual austenite

樣品A類(lèi)B類(lèi)C類(lèi)D類(lèi)細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系細(xì)系粗系1號(hào)1.002.00.50.50.51.50.52號(hào)0.51.01.51.01.00.52.00.5

1.6 腐蝕表面形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

通過(guò)掃描電鏡對(duì)瓶頭漏氣部位進(jìn)行觀(guān)察，漏氣部位有較多腐蝕產(chǎn)物覆蓋，可見(jiàn)一明顯的徑向裂紋，裂紋呈斷續(xù)直線(xiàn)狀，全長(zhǎng)約2 mm，見(jiàn)圖4(a)。漏氣部位位于裂紋中間位置，放大后可見(jiàn)大量腐蝕產(chǎn)物和泥狀花樣，見(jiàn)圖4(b)。

采用能譜儀對(duì)漏氣部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中含有0.78%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)Cl和0.66% S，兩者均為腐蝕性元素。

1.7 斷口形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

將漏氣氣瓶沿漏氣部位裂紋打開(kāi)，其斷口的宏觀(guān)形貌見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：斷口平整、無(wú)氣孔和疏松等冶金缺陷、無(wú)明顯塑性變形;斷口兩側(cè)銀白色新鮮斷口為人為打開(kāi)區(qū)；中部為原始斷口，斷口有黃褐色鐵銹覆蓋，可見(jiàn)上凸圓弧；瓶頭外表面的銹蝕情況比內(nèi)表面嚴(yán)重。根據(jù)圓弧形態(tài)和銹蝕程度判斷，裂紋是從瓶頭外表面起裂，并向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，直至貫穿整個(gè)斷口。

用掃描電鏡觀(guān)察斷口的微觀(guān)形貌，如圖6所示。

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 漏氣部位的腐蝕形貌Fig. 4 Corrosion morphology of the leaky part at low (a) and high (b) magnifications

圖5 漏氣氣瓶斷口的宏觀(guān)形貌Fig. 5 Macro appearance of the fracture of the leaky cylinder

由圖6可見(jiàn)：斷口源區(qū)腐蝕程度最重，可見(jiàn)一直徑約0.12 mm的腐蝕坑；擴(kuò)展區(qū)占據(jù)了斷口的絕大部分，以沿晶斷裂和準(zhǔn)解理斷裂為主；終斷區(qū)的最邊緣可見(jiàn)韌窩形貌。

(a) 裂紋源區(qū) (b) 裂紋擴(kuò)展區(qū) (c) 瞬斷區(qū) 圖6 斷口各區(qū)域的微觀(guān)形貌Fig. 6 Micro-morphology of different areas in the fracture:(a) crack initial area; (b) crack growth area; (c) final fracture area

用能譜儀對(duì)斷口各區(qū)域腐蝕產(chǎn)物的成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，整個(gè)斷口均檢出了氯元素和硫元素，在裂紋源區(qū)這兩種元素的含量較高，在裂紋擴(kuò)展區(qū)較低。

表4 斷口各區(qū)域腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 4 EDS analysis results of corrosion products on different areas in the fracture (mass) %

2 分析與討論

泄漏氣瓶的化學(xué)成分合格，金相組織正常，硬度符合要求，斷裂部位無(wú)氣孔、疏松等冶金缺陷。斷口分析表明，氣瓶開(kāi)裂部位斷口平整，無(wú)明顯塑性變形，外表面的腐蝕產(chǎn)物及斷口均檢出氯元素和硫元素，這些均符合應(yīng)力腐蝕斷裂特征。經(jīng)了解，漏氣氣瓶從出庫(kù)裝配到試驗(yàn)經(jīng)歷了約2 a時(shí)間，因此初步判斷故障件發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

應(yīng)力腐蝕是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的金屬結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，這種腐蝕損傷會(huì)使金屬結(jié)構(gòu)在工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力且外觀(guān)并無(wú)明損傷的情況下發(fā)生失效。金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕需具備以下條件：材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性； 材料中必須存在拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力愈大斷裂所需的時(shí)間愈短，斷裂所需應(yīng)力一般都低于材料的屈服強(qiáng)度；材料所處環(huán)境存在特定的腐蝕介質(zhì)[1-2]。

2.1 材料分析

不同金屬材料都有特定的應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)[3]。漏氣氣瓶的材料為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al節(jié)鎳型半奧氏體沉淀硬化不銹鋼，該材料對(duì)氯離子具有應(yīng)力腐蝕敏感性。

同時(shí)復(fù)查氣瓶材料發(fā)現(xiàn)，其所用材料的冶煉方法是電弧爐+電渣重熔。該方法會(huì)導(dǎo)致夾雜物含量較高，非金屬夾雜物測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。鋼的潔凈度是影響應(yīng)力腐蝕的重要條件，夾雜物周?chē)桩a(chǎn)生應(yīng)力集中使其成為裂紋的發(fā)源點(diǎn)[4]。非金屬夾雜物的尖端首先產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，在活性陰離子和拉應(yīng)力的聯(lián)合作用下，尖端及附近區(qū)域發(fā)生塑性及屈服變形，導(dǎo)致表面鈍化膜破裂，新裸露的金屬表面相對(duì)于鈍化表面的電位變負(fù)，形成一個(gè)面積特別小的陽(yáng)極，以較大的腐蝕電流迅速溶解成縫隙。腐蝕電流流向孔隙，即流向陰極，在陰極上發(fā)生如下反應(yīng)：

(1)

(2)

微觀(guān)滑移再次破壞非金屬夾雜物尖端的表面膜，使尖端又一次加速溶解。這些步驟連續(xù)交替進(jìn)行，裂紋便不斷沿尖端擴(kuò)展延伸，最終沿顯微孔隙及非金屬夾雜物尖端產(chǎn)生的裂紋相互銜接起來(lái)，即形成了應(yīng)力腐蝕裂紋[5]。

2.2 應(yīng)力分析

氣瓶正常工作壓力為40 MPa，用有限元分析軟件模擬結(jié)構(gòu)完整、良好時(shí)氣瓶瓶頭附近的應(yīng)力分布規(guī)律，如圖7所示。分析結(jié)果表明：氣瓶瓶頭頂部外表面以受拉應(yīng)力為主、內(nèi)壁以受壓應(yīng)力為主；在40 MPa內(nèi)壓作用下氣瓶瓶頭頂部外表面受到的拉應(yīng)力為150～500 MPa。漏氣部位的應(yīng)力為拉應(yīng)力，且數(shù)值接近最大拉應(yīng)力。

(a) 外表面 (b) 內(nèi)表面 圖7 氣瓶瓶頭最大主應(yīng)力分布Fig. 7 Largest main stress distribution in the head of cylinder： (a) inner surface; (b) outer surface

2.3 介質(zhì)分析

故障氣瓶的外表面和斷裂面上均能檢測(cè)出氯元素，為弄清來(lái)源，對(duì)氣瓶生產(chǎn)及后續(xù)裝配過(guò)程中接觸的介質(zhì)進(jìn)行清查，發(fā)現(xiàn)操作者在氣瓶裝配過(guò)程中裸手接觸氣瓶,使手汗中的氯元素殘留在氣瓶表面。同時(shí)發(fā)現(xiàn)該氣瓶經(jīng)歷了多次低溫試驗(yàn)，在低溫出箱加載測(cè)試時(shí)氣瓶表面的凝霜融化成水膜，水珠在瓶頭與充氣嘴的縫隙處積聚，引發(fā)瓶頭中心區(qū)域的氯元素積聚。對(duì)多件同批次的氣瓶進(jìn)行了能譜檢測(cè)，在氣瓶瓶頭表面上均檢測(cè)到了氯元素。

在干濕交替環(huán)境中,薄液膜中水分的蒸發(fā), 薄液膜中的離子含量增大,裂紋尖端內(nèi)部的侵蝕性離子會(huì)發(fā)生離子集聚和酸化,這會(huì)促進(jìn)裂紋尖端的陽(yáng)極溶解和陰極析氫反應(yīng), 反應(yīng)產(chǎn)生的氫通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)作用在裂紋尖端的高應(yīng)力應(yīng)變區(qū)富集,進(jìn)一步促進(jìn)裂紋尖端的陽(yáng)極溶解,同時(shí)產(chǎn)生氫脆效應(yīng),共同促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生與擴(kuò)展[6]。同時(shí)，在工業(yè)污染海洋大氣環(huán)境中,SO2等工業(yè)污染物的沉積及其對(duì)薄液膜的酸化作用會(huì)同時(shí)促進(jìn)金屬的陽(yáng)極溶解過(guò)程和陰極析氫反應(yīng), 另外生成的FeSO4也具有酸的再生效應(yīng),進(jìn)一步促進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[7-8]。

綜上所述，氣瓶材料本身具有應(yīng)力腐蝕敏感性且含有大量的夾雜物均有利于應(yīng)力腐蝕的發(fā)生；應(yīng)力分析結(jié)果表明瓶頭部位漏氣部位受力狀態(tài)為拉應(yīng)力，且接近最大拉應(yīng)力；裸手觸摸和后續(xù)低溫試驗(yàn)導(dǎo)致瓶頭中心區(qū)域的氯元素積聚。根據(jù)以上分析，結(jié)合斷口特征，可以判斷氣瓶是由于發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而導(dǎo)致漏氣。

3 結(jié)論與建議

(1) 故障氣瓶原材料具有應(yīng)力腐蝕敏感性，電弧爐+電渣重熔的冶煉方法導(dǎo)致夾雜物含量較高進(jìn)一步降低了其抗應(yīng)力腐蝕能力；內(nèi)部高壓使得氣瓶表面處于大的拉應(yīng)力狀態(tài)；裸手觸摸和后續(xù)冷卻試驗(yàn)導(dǎo)致氯離子的殘留與聚集。小氣瓶滿(mǎn)足應(yīng)力腐蝕所需的必要條件，發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而漏氣。

(2) 為提高材料的抗應(yīng)力腐蝕能力，可更改氣瓶材料冶煉方法為真空熔煉以提高材料的潔凈度。

(3) 為隔絕腐蝕性元素，氣瓶裝配和測(cè)試過(guò)程中嚴(yán)禁裸手觸摸，同時(shí)對(duì)小氣瓶瓶體進(jìn)行噴漆處理。