304不銹鋼止回閥斷裂原因分析

(上海材料研究所 上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

止回閥又稱逆流閥,是一種通過(guò)介質(zhì)自身的流動(dòng)來(lái)開(kāi)閉閥瓣，從而控制介質(zhì)單向流通的閥門，其在日益發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)中必不可少。止回閥屬于一種自動(dòng)閥門，主要作用是防止介質(zhì)倒流，防止泵及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，用于容器介質(zhì)的泄放。

某公司生產(chǎn)設(shè)備上的止回閥在使用過(guò)程中發(fā)生了斷裂，給生產(chǎn)造成了很大損失。該止回閥材料為304不銹鋼，這種不銹鋼具有優(yōu)良的耐熱性和耐蝕性[1-4]。筆者對(duì)斷裂的止回閥進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)，分析其斷裂原因并提出建議，以期此類事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

止回閥的一端由法蘭連接著一個(gè)蓋板，斷口在止回閥的另一端閥管上，如圖1所示?？梢?jiàn)閥管外壁由于受到了閥管內(nèi)氣體的擠壓而產(chǎn)生了變形。為測(cè)量閥管外壁的變形程度，從法蘭端開(kāi)始，以5 cm為梯度選取6個(gè)測(cè)量點(diǎn)(A-F)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)處的外圓周長(zhǎng)，如圖1 b)所示，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，閥管的外徑從法蘭端到斷口處依次減小。

圖1 斷裂止回閥宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured check valve: a) outer wall of the valve tube; b) test points of outer diameter

表1 閥管外徑測(cè)量結(jié)果Tab.1 Test results of outside diameter of the valve tube mm

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂止回閥上靠近斷口處取樣，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。可見(jiàn)其滿足GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》對(duì)304不銹鋼的成分要求。

1.3 斷口分析

1.3.1 宏觀斷口分析

使用線切割將斷口部分的閥管割下，如圖2 a)所示，可見(jiàn)切割下來(lái)的閥管圓度較差，管體發(fā)生了變形。在體視顯微鏡下觀察斷口，如圖2 b)所示，可見(jiàn)靠近閥管內(nèi)壁斷口的顏色與外壁斷口的存在明顯差異?？拷y管內(nèi)壁斷口呈黃褐色，應(yīng)為焊接缺陷；靠近閥管外壁斷口呈銀灰色，有金屬光澤，具有剪切唇特征，應(yīng)為新鮮斷裂面。初步判斷該304不銹鋼止回閥的閥管存在焊接缺陷，使得閥體焊接接頭的強(qiáng)度降低，在介質(zhì)應(yīng)力下閥管發(fā)生變形，最終發(fā)生斷裂。

1.3.2 微觀斷口分析

在閥管斷口上取樣，使用超聲波對(duì)斷口進(jìn)行充分清洗，然后用掃描電鏡(SEM)對(duì)其進(jìn)行觀察，如圖3所示。將斷口分為A, B, C區(qū)域，A區(qū)域靠近閥管外壁，可見(jiàn)剪切唇特征，B區(qū)域?yàn)樾迈r斷裂面，C區(qū)域?yàn)楹附尤毕輩^(qū)域。經(jīng)測(cè)量，斷口寬度約2.75 mm，C區(qū)域?qū)挾燃s1.08 mm，約為總寬度的39%。

表2 斷裂止回閥的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical compositions of the fractured check valve (mass fraction) %

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the fracture: a) the fracture; b) the welding defect

A區(qū)域的SEM形貌如圖3 b)所示，可見(jiàn)明顯的韌窩；B區(qū)域的SEM形貌如圖3 c)所示，也可見(jiàn)明顯的韌窩；C區(qū)域的SEM形貌如圖3 d)所示，為自由表面，可見(jiàn)其表面覆蓋有氧化腐蝕產(chǎn)物，并且有較為明顯的加工痕跡，見(jiàn)圖3 d)中的平行線條處。

圖3 斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture: a) low multiple morphology of the fracture; b) high multiple morphology of region A; c) high multiple morphology of region B; d) high multiple morphology of region C

由斷口SEM形貌特征和斷口宏觀形貌特征可進(jìn)一步判斷，C區(qū)域?yàn)楹附尤毕菝?，該閥管的斷裂性質(zhì)為一次性過(guò)載斷裂。

1.4 非金屬夾雜物檢測(cè)

在閥管斷口上取樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后使用光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行觀察，其非金屬夾雜物形貌如圖4所示。按照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》 的實(shí)際檢驗(yàn)A法評(píng)定，夾雜物級(jí)別為：A 0，B 0，C 0，D 0.5級(jí)。由此可知，斷裂閥管的夾雜物含量不高，只有極少量的D類夾雜物，其對(duì)閥管性能的影響很小[5]。

圖4 夾雜物形貌Fig.4 Morphology of the inclusions

1.5 金相檢驗(yàn)

在閥管斷口上沿軸向取樣，經(jīng)過(guò)鑲嵌、磨拋后，用體積比為1∶1的HNO3和HCl混合溶液浸蝕，然后使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，其顯微組織形貌如圖5所示。圖5 a)可見(jiàn)明顯的焊接顯微組織特征，同時(shí)可在視場(chǎng)的大部分區(qū)域上看到未焊透缺陷的形貌特征，即母材金屬未熔化，焊縫金屬?zèng)]有進(jìn)入接頭根部。其中，焊縫區(qū)為枝晶奧氏體，母材區(qū)為奧氏體等軸晶粒，熱影響區(qū)的晶粒比遠(yuǎn)離焊縫區(qū)稍大。這是因?yàn)楹缚p區(qū)冷卻較快，晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，焊接時(shí)，熱影響區(qū)的溫度較母材高，晶粒容易長(zhǎng)大。再結(jié)合斷口宏、微觀分析結(jié)果，可以判斷圖5 a)中靠上部分為未焊透焊接缺陷，即對(duì)應(yīng)斷口的C區(qū)域。圖5 b)為圖5 a)中缺陷處的高倍形貌，可見(jiàn)奧氏體晶粒中存在著明顯的滑移線，這些滑移線表明閥管產(chǎn)生了較大的變形。圖6為斷口上焊透區(qū)域的顯微組織形貌，可見(jiàn)焊透區(qū)域的焊縫直接連接著內(nèi)外表面。圖6 b)為靠近焊縫的顯微組織形貌，可見(jiàn)焊縫區(qū)顯微組織為枝晶奧氏體，其余為存在滑移線的等軸奧氏體。

圖5 未焊透區(qū)域顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the unwelded region: a) low multiple; b) high multiple

圖6 焊透區(qū)域顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the welded region: a) low multiple; b) high multiple

據(jù)測(cè)量，閥管的平均壁厚為2.90 mm，而未焊透區(qū)域即C區(qū)域的厚度超過(guò)1 mm，未焊透區(qū)域超過(guò)壁厚的1/3，不符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)允許的環(huán)縫未焊透深度，這極大地減小了閥管的強(qiáng)度。

1.6 顯微硬度測(cè)試

對(duì)近斷口處及遠(yuǎn)離斷口的母材區(qū)分別隨機(jī)選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試。測(cè)得近斷口處的顯微硬度為417，412，406 HV0.3；測(cè)得遠(yuǎn)離斷口的母材區(qū)的顯微硬度為265，263，267 HV0.3。這是由于近斷口處為焊縫區(qū)，焊接時(shí)形成了枝晶，并且晶粒較小，因此近斷口處的硬度較遠(yuǎn)離斷口的母材區(qū)的高。

2 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂止回閥的化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007對(duì)304不銹鋼的成分要求，其非金屬夾雜物級(jí)別不高，母材及焊縫區(qū)的顯微硬度在正常范圍內(nèi)，斷口處和遠(yuǎn)離斷口的母材區(qū)的顯微組織正常，均為奧氏體，其中等軸晶粒中存在明顯的滑移線，輔證了使材料發(fā)生變形的應(yīng)力的存在。斷口宏、微觀分析及金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷口上的C區(qū)域?yàn)槲春竿溉毕菝?，斷口為一次性過(guò)載斷裂的斷口。

根據(jù)金相檢驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)焊縫絕大部分區(qū)域均存在未焊透缺陷，占壁厚的1/3以上。未焊透缺陷在結(jié)構(gòu)件上類似于裂紋類缺陷，容易形成應(yīng)力集中，降低材料的強(qiáng)度。未焊透缺陷對(duì)管道承載的影響主要是管道的承載凈截面面積減少，因此當(dāng)閥內(nèi)壓力較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致止回閥發(fā)生一次性斷裂。李思源等[6]提到，整圈未焊透模型失效時(shí)，容易在環(huán)縫處爆破為兩節(jié)，并出現(xiàn)脆性斷裂，還可能降低失效壓力，并且提出了未焊透面積不能大于總面積的1/3。未焊透缺陷可以按管道局部減薄來(lái)進(jìn)行定級(jí)，將該止回閥管部分視為管道，參考《在用工業(yè)管道定期檢驗(yàn)規(guī)程(試行)》中提到的，壁厚在2.5～4.0 mm時(shí)，未焊透缺陷寬度大于0.5 mm，則安全狀況等級(jí)視為4級(jí)。該斷裂止回閥的壁厚約2.90 mm，未焊透厚度大于1 mm，可判定其安全狀況為4級(jí)。又由于焊縫處的應(yīng)力在材料發(fā)生斷裂時(shí)被釋放，因此止回閥管在宏觀上表現(xiàn)出了變形，并在奧氏體晶粒上出現(xiàn)了大量滑移線。

3 結(jié)論及建議

該304不銹鋼止回閥的斷裂位置位于焊縫處，為一次性過(guò)載斷裂。由于焊接工藝不當(dāng)，在焊縫處存在未焊透缺陷，使該止回閥管的強(qiáng)度降低，在較大的介質(zhì)應(yīng)力作用下，發(fā)生了一次性過(guò)載斷裂。

建議對(duì)該304不銹鋼止回閥的焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，嚴(yán)格按照相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行作業(yè)，保證焊接質(zhì)量，杜絕未焊透缺陷再次出現(xiàn)。