不銹鋼可調連桿斷裂失效分析

(國網福建省電力有限公司電力科學研究院,福州 350007)

連桿是石油、化工、電力、能源等工業生產中常用的機構件,常用材料有碳鋼、合金鋼和不銹鋼,在連桿使用過程中,由于材料缺陷、應力和腐蝕等原因造成的失效時有發生,造成各類事故[1-5]。不銹鋼相較于碳鋼、合金鋼,具有更好的耐腐蝕性能,因此不銹鋼連桿在沿海輸變電設備中得到了廣泛應用。在福建某500 kV 變電站停電檢修時發現,某與刀閘連接的可調連桿發生斷裂,該可調連桿的設計材料為304奧氏體不銹鋼(以下稱304不銹鋼)。為了防止斷裂現象再次發生,對該斷裂的不銹鋼連桿進行理化檢驗,分析其在福建沿海環境中發生失效的原因。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀檢驗

對失效斷裂部件斷口形貌進行宏觀及微觀觀察是分析斷裂原因的有效方法[6]。斷裂可調連桿的現場照片見圖1。由圖1可知,可調連桿的斷裂位置發生在其螺桿處,當刀閘處于合閘狀態下時,可調連桿的螺桿主要承受拉力。

對斷裂的螺桿及同型號未使用的螺桿進行宏觀觀察,其形貌如圖2所示。從圖2中可以看出:斷裂螺桿外表面存在明顯腐蝕現象,并可見腐蝕坑,腐蝕區域存在腐蝕產物,其斷口較平整,斷口與連桿軸線垂直,斷口覆蓋有腐蝕產物,而新螺桿總體呈現出銀白色的金屬光澤,未見銹蝕。

1.2 化學成分分析

根據GB/T 233—2007 《鋼鐵及其合金化學分析方法》分析斷裂螺桿及新螺桿的化學成分,結果見表1。從表1中可以看出,斷裂螺桿成分與標準304不銹鋼的成分有一定偏差,其中Cr元素含量和Ni元素含量略低于標準值,C元素含量嚴重超出標準值,達到0.23 %(質量分數，下同),遠高于標準值0.08%,Mn元素含量為3.06%,高于標準值。化學成分分析結果顯示,斷裂螺桿的化學成分不符合304不銹鋼的制造標準;而新螺桿的各化學元素含量均在標準范圍內。

(a) 安裝位置

(b) 斷裂部位圖1 斷裂可調連桿的現場照片Fig.1 Images of fractured adjustable connecting rod:(a)installation site;(b)fractured part

(a) 斷裂螺桿斷口

(b) 斷裂螺桿外表面

(c) 新螺桿圖2 斷裂螺桿及新螺桿的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture (a)and outer surface (b)of fractured screw and new screw (c)

表1 螺桿的化學成分及標準(質量分數)Tab.1 Chemical composition of screws and standard (mass fraction) %

1.3 金相檢驗

截取斷裂螺桿及新螺桿的橫截面制成金相試樣,用FeCl3鹽酸水溶液浸蝕試樣,然后用Axio Observer Alm金相顯微鏡對其組織進行觀察,結果見圖3。由圖3可知,斷裂螺桿的顯微組織為奧氏體,在晶界有沿晶析出的碳化物,新螺桿的顯微組織也是奧氏體,但未見晶界析出物。依據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》中的截點法對晶粒進行評級,可得斷裂螺桿的晶粒度為9.5級,而新螺桿的晶粒度為10級。

(a) 斷裂螺桿

1.4 斷口形貌和腐蝕產物分析

使用ZEISS EVO18掃描電子顯微鏡(SEM)對螺桿斷口的微觀形貌進行觀察,斷口形貌如圖4所示;用Oxford X-maxN能譜儀(EDS)對覆蓋于斷口的腐蝕產物進行成分分析,分析結果如圖5所示。

從圖5中可以看出:該斷裂螺桿的斷口為沿晶斷裂,晶粒呈冰糖狀,并具有明顯的二次裂紋,說明螺桿的斷裂形式為脆性斷裂[7-9]。從圖5中可以看出:斷口腐蝕產物中主要含有Fe,Cr,Mn,O,S,Cl,Ni,Al等元素,這說明硫化物和氯化物直接促進了奧氏體不銹鋼的腐蝕。

圖4 螺桿斷口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of screw

圖5 螺桿斷口腐蝕產物的EDS譜Fig.5 EDS spectrum of corrosion product on fracture of screw

將斷裂螺桿垂直于斷口方向剖開,利用掃描電鏡的背散射模式對不銹鋼螺桿的剖面進行微觀組織分析,其形貌如圖6所示。從圖6中可以看出,該失效螺桿存在內部裂紋,裂紋源于其邊緣,沿晶界呈網狀向內部擴展,這說明失效螺桿的晶界弱化[5],具有應力腐蝕特征[10]。

1.5 硬度測試

按照GB/T 231.1—2009《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》的規定采用UH250型布洛維硬度計在斷裂螺桿和新螺桿的剖面上進行布氏硬度測試,硬質合金球直徑2.5 mm,載荷1.839 kN,結果見表2。布氏硬度測試結果表明,斷裂螺桿的布氏硬度值偏高,不符合相關標準的技術要求,新螺桿的布氏硬度值正常,在標準范圍內。

圖6 斷裂螺桿剖面的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of profile of fractured screw

表2 斷裂螺桿和新螺桿的布氏硬度測試結果Tab.2 Results of Brinell hardness test for fractured and new screws HBW

2 失效原因分析

奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能,然而在特定介質體系中會發生局部腐蝕,如點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕開裂等[11-12]。在特定的腐蝕介質和應力存在情況下,不銹鋼易發生應力腐蝕開裂[13]。該失效可調連桿所在變電站位于福建沿海工業區,服役大氣環境中含有較高硫化物和氯離子兩種腐蝕介質[14-15],而304不銹鋼對硫化物和氯離子具有應力腐蝕敏感性;另一方面,刀閘在合閘狀態下,可調連桿主要承受拉應力。這兩種因素構成了該不銹鋼連桿發生應力腐蝕的條件。根據斷口宏觀形貌觀察可知,斷裂失效為脆性斷裂,不銹鋼連桿外表面銹蝕說明其材料在這種服役環境中的耐腐蝕性能較差;根據斷口微觀形貌觀察可知,斷口晶粒呈冰糖狀,晶粒間二次裂紋清晰可見,具有典型的沿晶斷裂特征,斷口腐蝕產物中含有S和Cl等腐蝕性元素,說明不銹鋼連桿的腐蝕是由大氣中的硫化物和氯離子引起的;根據微觀組織分析,斷裂連桿剖面近表面區域存在網狀裂紋,裂紋由表面萌生并沿晶界向內部擴展,說明該不銹鋼連桿發生了晶間腐蝕[5,10]。綜上所述,該不銹鋼連桿斷裂原因為應力腐蝕開裂。

化學成分檢測結果表明,新連桿化學成分正常,但斷裂連桿所用304奧氏體不銹鋼的成分與標準成分存在一定偏差。其中,Cr和Ni含量略低于標準值。Cr元素是不銹鋼獲得耐腐蝕性能的主要元素。一般來說,不銹鋼中Cr含量高于12%(質量分數)時,不銹鋼才能具有良好的耐腐蝕性能[16]。雖然失效不銹鋼連桿的Cr和Ni含量不達標,但這并不是其發生腐蝕失效的主要原因。C元素能夠增加鋼材的強度,然而在不銹鋼中一般被認為是雜質。這是因為C元素能夠與Cr元素結合在晶界形成碳化物Cr23C6,從而使晶界附近形成貧鉻區,當Cr質量分數低于12 %時,將無法形成有效的鈍化膜,因此貧鉻晶界成為點蝕和晶間腐蝕萌生的優先位置,大大降低不銹鋼的耐蝕性,導致不銹鋼在酸性或氯離子環境中發生局部腐蝕[13]。該斷裂連桿中碳質量分數為0.23%,遠遠高于標準值0.08%,因此極易形成Cr23C6,導致腐蝕發生。除此之外,失效連桿中Mn含量偏高,Mn會與C、S形成金屬夾雜物,破壞晶粒間的結合力,降低不銹鋼的耐腐蝕能力[17]。硬度測試結果表明,新連桿剖面的布氏硬度正常,但斷裂連桿剖面的布氏硬度明顯偏高,說明斷裂連桿的塑性和韌性較差。硬度偏高與該斷裂螺桿原材料中C、Mn含量偏高以及鍛造時加工硬化有關[5]。

綜合上述宏觀形貌、微觀形貌、化學成分分析以及硬度測試數據可知,該可調連桿的失效斷裂為應力腐蝕斷裂,導致應力腐蝕的主要原因是材料中過高的碳含量。另外,含硫化物和氯離子的服役環境以及工作時承受的拉應力也是誘發不銹鋼連桿應力腐蝕的主要原因。

3 結論與建議

該失效不銹鋼連桿所用材料不符合標準304不銹鋼的要求。不銹鋼連桿的失效是由應力腐蝕開裂引起的,材料中過高的碳含量、含硫化物和氯離子的服役環境以及工作時承受的拉應力是誘發不銹鋼應力腐蝕的主要原因。

建議加強不銹鋼連桿的質量驗收,確保其成分及顯微組織符合要求,并對此類易發生應力腐蝕的部件加強巡查,及時排除安全隱患。