17-4PH不銹鋼閥桿的斷裂原因

張忠偉,左敦桂,賴云亭

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

17-4PH不銹鋼是一種沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，碳含量低、鉻含量高且含有銅、鈮等元素，經(jīng)固溶時(shí)效處理后，具有高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)，在大氣及稀釋酸或鹽環(huán)境中都具有良好的耐蝕性，多用于制造既要求耐弱酸、堿、鹽腐蝕，又要求高強(qiáng)度的部件[1]。

17-4PH不銹鋼本身具有一定的耐蝕性，但在一些特定介質(zhì)中，尤其在含有Cl-、S2-的酸性介質(zhì)中仍然會(huì)發(fā)生非常嚴(yán)重的腐蝕。此外，17-4PH不銹鋼在服役過程中還會(huì)出現(xiàn)力學(xué)性能和耐蝕性下降的情況[2-3]。

本工作針對某電廠核級手動(dòng)截止閥閥桿斷裂現(xiàn)象進(jìn)行綜合性能分析研究，以找出斷裂的原因，保障機(jī)組后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 試驗(yàn)

閥桿斷裂的截止閥為手動(dòng)截止閥，閥結(jié)構(gòu)和部件材料如圖1所示，其中斷裂閥桿材質(zhì)為X6CrNiCu17-04鋼。截止閥約運(yùn)行了6 a，期間未進(jìn)行任何維修。閥門平時(shí)處于常開模式，僅在檢修時(shí)關(guān)閉，內(nèi)部介質(zhì)為海水。

針對該斷裂閥桿，分別進(jìn)行宏觀形貌觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測試等，取樣位置如圖2所示。

對閥桿的斷裂位置、閥桿表面、斷口等進(jìn)行宏觀形貌觀察并拍照記錄。

對斷裂閥桿取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》。

試樣經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨、拋光并用溶液浸蝕后，進(jìn)行顯微組織觀察。

圖1 截止閥的結(jié)構(gòu)及其部件的材料單Fig. 1 The structure of the globe valve and the list of materials for each component

圖2 失效閥桿的取樣位置Fig. 2 Location of the failed stem sampling

室溫拉伸試驗(yàn)采用φ5 mm比例拉伸試棒，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》。

在斷裂閥桿橫截面進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)條件如下：負(fù)荷187.5 kgf，保載時(shí)間10 s。測試標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》。

對閥桿斷裂斷口正面和側(cè)面、閥桿表面分別進(jìn)行微觀形貌觀察，測試設(shè)備為TESCAN VEGA TS5136XM掃描電鏡，測試標(biāo)準(zhǔn)為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌

送檢閥桿整體保持豎直，未見明顯彎曲變形。斷口位于閥桿下部直徑變化部位，見圖2。斷口附近未見明顯宏觀塑性變形，詳見圖3。斷口表面已普遍發(fā)生腐蝕，局部呈現(xiàn)細(xì)小的蜂窩狀；將閥瓣從閥桿上取下后，發(fā)現(xiàn)斷口下部閥桿表面沿圓周方向上散布較多點(diǎn)腐蝕坑，見圖3 (c)黃虛線方框部位，斷口上部閥桿表面存在少量點(diǎn)蝕坑；閥桿底部存在較為嚴(yán)重的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，見圖3(d)。

2.2 化學(xué)成分

由表1可見：腐蝕閥桿的化學(xué)成分滿足規(guī)范RCC-M M5110對X6CrNiCu17-04鋼的成分要求。

2.3 金相檢驗(yàn)

由圖4～6可見：閥桿基體組織為回火馬氏體+較多沉淀析出相，部分析出相相互聚集呈線狀，晶界存在明顯的粗化現(xiàn)象。斷口處存在較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，主裂紋和二次裂紋均為沿晶裂紋，內(nèi)部腐蝕坑已連接在一起。

2.4 力學(xué)性能

由表2可見：試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但斷后伸長率和斷面收縮率低于標(biāo)準(zhǔn)RCCM M5110對X6CrNiCu17-04的要求。

由表3可見：試樣的硬度較均勻，平均值為381 HB，滿足標(biāo)準(zhǔn)RCCM M5110對X6CrNiCu17-04的硬度要求。

(a) 上部 (b) 下部 (c) 表面 (d) 底部圖3 閥桿的宏觀形貌Fig. 3 Macroscopic appearance of valve stem： (a) upper location, (b) lower location, (c) surface location, (d) bottom location

表1 腐蝕閥桿的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of corroded valve stem %

(a) 橫截面 (b) 縱截面圖4 閥桿母材的顯微組織Fig. 4 Microstructure of valve stem base material： (a) cross section, (b) longitudinal section

(a) 宏觀形貌 (b) 位置A (c) 位置B

(d) 位置C (e) 位置D圖5 閥桿斷口縱截面的顯微組織Fig. 5 Microstructure of longitudinal section of valve stem fracture: (a) Macro morphology, (b) location A, (c) location B, (d) location C, (e) location D

2.5 SEM觀察和能譜分析

由圖7和8可見：斷口表面覆蓋了一層明顯的腐蝕產(chǎn)物，邊緣及中間位置均為典型的沿晶破壞特征；緊鄰斷口邊緣處和閥桿表面均存在明顯的點(diǎn)腐蝕坑。

3 失效原因

從形貌觀察結(jié)果可知，閥桿表面散布著較多的點(diǎn)腐蝕坑，剖開這些蝕坑可見蝕坑很深，并彼此有連接現(xiàn)象。在蝕坑前沿，微觀上腐蝕以沿晶形式向基體深入。特別是斷口附近區(qū)域，存在著同斷口方向相同的晶間腐蝕特征。這表明閥桿斷裂是點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用造成的。

(a) 宏觀形象 (b) 位置A (c) 位置B (d) 位置C 圖6 閥桿點(diǎn)蝕坑處的顯微組織Fig. 6 Microstructure of valve stem pitting: (a) macro morphology; (b)location A; (c) location B; (d) location C

表2 試樣的室溫拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Room temperature tensile and impact test results of specimens

表3 試樣的硬度測試結(jié)果Tab. 3 Hardness test results of specimens

(a) 邊緣位置 (b) 中間位置 (c) 側(cè)面 圖7 閥桿斷口不同位置的微觀形貌Fig. 7 Micromorphology of valve stem fracture at different positions： (a) edge of fracture; (b) middle of fracture; (c) side of fracture

圖8 閥桿表面的SEM形貌Fig. 8 SEM morphology on the surface of valve stem

17-4PH(X6CrNiCu17-04)是一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，通過在馬氏體基體上析出富銅的ε相而強(qiáng)化。其特點(diǎn)是具有高屈強(qiáng)比，強(qiáng)韌性配合好，缺點(diǎn)是鉻含量低，僅耐弱腐蝕介質(zhì)的腐蝕，在海水等中強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性不高，容易發(fā)生點(diǎn)蝕。

理化分析結(jié)果表明，斷裂閥桿的化學(xué)成分和硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；顯微組織為回火馬氏體基體+較多沉淀析出相，部分析出相相互聚集成線狀，晶界存在明顯的粗化現(xiàn)象；硬度和強(qiáng)度指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)中的A級指標(biāo)要求，但室溫塑性明顯低于標(biāo)準(zhǔn)A級指標(biāo)要求，甚至低于B級指標(biāo)要求。晶界存在明顯的粗化現(xiàn)象，可能與熱處理工藝不當(dāng)有關(guān)。當(dāng)晶界Cr23C6沉淀速度快于Cr元素的擴(kuò)散速度，補(bǔ)給晶界區(qū)的Cr量不足以抵償消耗的Cr量時(shí)，一旦貧鉻區(qū)的Cr量低到一定程度，就會(huì)使材料出現(xiàn)晶間腐蝕傾向。上述過程將導(dǎo)致材料的塑韌性和耐蝕性降低，并易引發(fā)晶間腐蝕。

4 結(jié)論及建議

在點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的共同作用下，閥桿最終發(fā)生了斷裂失效。究其原因是17-4PH(X6CrNiCu17-04)鋼的耐海水腐蝕性不高，加之熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致晶界貧Cr引發(fā)晶間腐蝕，進(jìn)一步惡化了材料的耐海水腐蝕性。將17-4PH(X6CrNiCu17-04)作為閥桿材料直接暴露在海水環(huán)境中，即使閥桿材料的制造質(zhì)量合格，也難免在使用一段時(shí)間后不發(fā)生點(diǎn)腐蝕，且隨著蝕坑不斷深入，最終也會(huì)導(dǎo)致閥桿斷裂失效。因此，建議優(yōu)化閥桿選材，將閥桿材料更換為更耐海水腐蝕的材料，比如超級雙相不銹鋼等。在替代過程中，應(yīng)注意確保新材料的制造質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。