30Cr13不銹鋼循環水泵軸的失效原因

夏 標鞏建鳴

(1. 南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816； 2. 極端承壓裝備設計與制造重點實驗室,南京 211816)

Cr13系列不銹鋼約含13%(質量分數，下同)Cr，具有良好的耐蝕性，且價格低廉，在機械、航天、醫療、刀具等領域應用廣泛[1]，也是目前主要耐CO2腐蝕的金屬材料[2-3]。目前關于該材料在含CO2，H2S以及Cl-介質條件下的失效及腐蝕行為的研究報道較多[4-6]，但其在某些特殊工況，如在含Br-介質中的腐蝕失效行為，卻鮮見報道。

本工作采用直讀光譜儀、萬能材料試驗機、微觀硬度計、金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析儀等，對某30Cr13不銹鋼循環水泵軸在CO2，H2S以及Br-介質條件下的斷裂行為進行了研究，分析斷裂原因，以期避免類似事故的發生，保證該類零件的長周期安全運行。

1 失效件概況

某廠煤制氣單元循環水泵軸在使用約1 a即發生斷裂。斷裂軸材質為30Cr13(調質)，額定功率111 kW，轉速2 980 r/min，正常服役溫度約為76 ℃，正常工作環境為循環澄清水[含有0.003%(質量分數，下同)CO2和0.000 5%(質量分數，下同)H2S]。

失效循環水泵軸斷裂位置位于安裝水泵葉片的軸頭上鍵槽根部，見圖1。由圖2可見：斷口較平坦，未見明顯塑性變形，在鍵槽根部附近可見疲勞斷裂的宏觀特征——海灘花樣；斷口及斷口周圍覆蓋有腐蝕產物。

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

從斷裂軸的斷口附近取樣，采用直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果見表1。由表1可知，斷裂軸的化學成分符合標準GB 1220-2007的要求。

2.2 力學性能測試

自斷裂軸沿軸向取樣加工成標準力學性能試驗用試樣，采用萬能材料試驗機和硬度計對其力學性能和硬度進行測試，由表2可見，斷裂軸的力學性能及硬度符合標準GB 1220-2007的要求。

圖1 斷裂軸的整體特征Fig. 1 Overall characteristics of the broken shaft

(a) 斷口形貌

(b) 斷口周圍腐蝕特征圖2 斷裂軸在斷裂位置的宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of the fractures axis at the fracture location： (a) fracture morphology； (b) corrosion characteristics around the fracture

表1 斷裂軸的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of the broken shaft (mass fraction) %

表2 斷裂軸的力學性能Tab. 2 Mechanical properties of the broken shaft

2.3 金相檢驗

自斷裂軸的斷口附近沿軸向和徑向分別取樣，制成金相試樣，進行微觀形貌觀察。由圖3可見：斷裂軸的顯微組織為回火索氏體，未見明顯異常，與熱處理狀態(調質)一致。

(a) 徑向試樣

(b) 軸向試樣圖3 斷裂軸的顯微組織Fig. 3 Microstructure of the broken shaft：(a) radial sample； (b) axial sample

2.4 掃描電鏡(SEM)觀察及能譜(EDS)分析

由圖4可見：斷口上大部分表面覆蓋腐蝕產物，腐蝕產物呈“泥狀花樣”；“海灘花樣”區域的腐蝕產物上可見類似輪胎花樣特征，即裂紋在擴展過程中表現出疲勞的特征；在裂紋擴展區與終斷區交界附近，有準解理的斷裂特征，即腐蝕在斷裂過程中起到重要作用；終斷區表現為細小的韌窩特征。綜上所述，該斷裂軸的斷裂模式為腐蝕疲勞斷裂。

為查明腐蝕原因，對斷口附著的腐蝕產物進行了能譜(EDS)分析，結果顯示，腐蝕產物主要為氧化物，還含有較多的硫(S)和溴(Br)等元素，局部Br的質量分數高達13.4%，S的質量分數高達8.6%。

(a)斷口表面覆蓋腐蝕產物 (b) 類似輪胎花樣特征

(c) 類似輪胎花樣的局部放大圖 (d) 擴展區與終斷區交界處的準解理斷裂特征

(e) 終斷區的細小韌窩特征圖4 斷口微觀形貌Fig. 4 Micromorphology of the fracture： (a) corrosion products covering on fracture surface； (b) tire-like pattern features； (c) enlarged view of a tire-like pattern； (d) quasi-cleavage fault characteristics at the junction of the extension zone and the final fault zone; (e) characteristics of small dimples at the terminal zone

表3 腐蝕產物能譜分析結果Tab. 3 EDS analysis results of corrosion products %

3 討論

該水泵結構示意如圖5所示。正常工作時，由于密封隔離，循環水不會滲入輪轂與軸及鍵的間隙中造成縫隙腐蝕。因此可以確定，斷裂前密封已經失效，密封失效后，循環水滲入縫隙中。

圖5 循環水泵密封位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of circulating water pump seal

腐蝕產物的EDS分析結果及斷口形貌均表明，循環水中含有較多的H2S以及Br-，這加速了縫隙腐蝕的發生。縫隙處的腐蝕速率之所以較非縫隙位置的高得多，是由于在這些相對閉塞的縫隙中，溶液交換作用極弱，導致氧擴散受阻，在縫隙內外造成氧濃差，形成“小陽極”和“大陰極”的氧濃差電池，且隨著腐蝕繼續進行，自催化酸化作用使得縫隙內pH不斷降低，特別是含有Cl、Br等離子時，自催化酸化作用更加明顯，導致腐蝕加劇[7-9]。同時，縫隙腐蝕會在鍵槽表面形成腐蝕凹坑，降低材料抗疲勞性能。

縫隙腐蝕初期的反應式為見式(1)～(3)：

縫內：

(1)

縫外：

(2)

自催化酸化：

(3)

研究表明[10]，30Cr13鋼在含有CO2和H2S的腐蝕介質體系中，會發生腐蝕，且腐蝕速率在70 ℃時達到最大值，本工作中斷裂泵軸的使用溫度約為79 ℃，接近發生最大腐蝕速率的溫度。目前，關于Br-對金屬在含CO2和H2S腐蝕介質體系中腐蝕行為的影響未見報道，但研究表明[5，10]，同為鹵族元素的Cl-對腐蝕具有促進作用，故理論上Br-也能夠起到促進作用。

泵軸在服役過程中承受交變載荷，在鍵槽等應力集中的位置常發生疲勞斷裂[11-13]，且在有腐蝕介質的環境中還會發生腐蝕疲勞斷裂[14-15]。本工作中，泵軸發斷裂的位置為鍵槽處，雖然斷口表面因覆蓋腐蝕產物，未觀察到疲勞條帶，但觀察到大量的類似輪胎花樣特征。該花樣是由于鑲嵌于疲勞微裂紋中的硬質點在裂紋開合過程中反復滾壓斷口表面形成的，其原理見圖6。根據質點形狀不同，花樣的形狀不同。另外，由于腐蝕介質的作用，擴展區與最終斷裂區交界處觀察到準解理斷裂特征。

圖6 類似輪胎花樣的形成原理示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the formation of tire-like pattern

根據以上分析結果可以確定該軸發生了CO2，H2S以及Br-介質條件下的腐蝕疲勞開裂。

4 結論

斷裂泵軸的材質合格，機械性能合格，組織正常，使用過程中，泵軸在鍵槽位置發生了腐蝕疲勞斷裂，腐蝕介質為含CO2，H2S以及Br-的循環水。正常情況下，循環水不會滲入軸上鍵槽內，因此可以確定，在泵軸斷裂前密封已經失效。另外，循環水受到了污染，引入大量Br-，加速了腐蝕疲勞的發生。