陳兆兵，周 兵，胡金榮，張臨財

(1.江蘇井神鹽化股份有限公司，江蘇 淮安 223200；2.淮陰工學院 機械與材料工程學院，江蘇 淮安 223003)

風機葉輪腐蝕開裂機制與預防

陳兆兵1，周 兵1，胡金榮1，張臨財2

(1.江蘇井神鹽化股份有限公司，江蘇 淮安 223200；2.淮陰工學院 機械與材料工程學院，江蘇 淮安 223003)

在微觀組織和裂紋形貌觀察的基礎上，分析了失效葉輪早期腐蝕開裂機制。結(jié)果表明，葉輪失效是Cl-促進下應力腐蝕開裂造成的。在葉輪本體上焊接擾流板后，焊接熱循環(huán)使靠近熔合線的葉輪本體組織發(fā)生了顯著變化，其中二次相的析出直接導致了葉輪本體耐蝕性降低，進而在工作應力和焊接殘余應力聯(lián)合作用下發(fā)生了應力腐蝕開裂，分析表明，葉輪本體上工作應力非均勻分布，越靠近葉輪心部，工作應力越大，越容易引發(fā)應力腐蝕開裂。進而提出了去除靠近葉輪心部4個擾流板的預防措施并進行了生產(chǎn)驗證，結(jié)果表明，這一做法可有效預防葉輪過早應力腐蝕開裂。

鹽化工；超級不銹鋼；焊接；應力腐蝕開裂；擾流板

0 引言

制鹽主要通過蒸餾鹵水來實現(xiàn)，鹵水為氯化鈉、氯化鈣和氯化銨的飽和水溶液。為了節(jié)約能源、降低成本，采用熱壓縮風機將蒸餾鹵水產(chǎn)生的蒸汽壓縮升溫，再送至蒸發(fā)罐前端對鹵水進行預熱，實現(xiàn)熱量的循環(huán)利用。由于高溫蒸汽具有一定溶解離子的能力，加之裹進蒸汽中的小液滴本身對離子的攜帶作用，蒸汽中難免含有一定量的離子，其中，具有侵蝕性的氯離子經(jīng)化驗含量為50 mg/kg左右，因此，熱壓縮風機葉輪使用具有優(yōu)良耐蝕性能的2507不銹鋼制造。2507不銹鋼是一種超級雙相不銹鋼(Super Duplex Stainless Steel, SDSS)，耐點蝕當量(Pitting Resistance Equivalent Number, PREN)大于40，在氯離子環(huán)境中具有極強的耐點蝕及耐應力腐蝕開裂(Stress Corrosion Crack, SCC)能力[1-2]。2507不銹鋼由鐵素體和奧氏體相組成，經(jīng)過恰當?shù)墓倘芴幚砗蟮膬上囿w積比接近1：1，獲得最優(yōu)的耐腐蝕性能[3-5]。

葉輪原設計使用壽命為5年，由于出現(xiàn)腐蝕開裂而導致過早失效，實際使用壽命只有1 年。已有的研究表明，焊接熱循環(huán)易破壞SDSS原有平衡組織，并使合金元素在兩相中的分配發(fā)生變化，還可能析出有害二次相，導致其耐蝕性下降[6-8]。葉輪是大型焊接件，焊縫眾多，且未作焊后熱處理，因此，葉輪過早腐蝕開裂應該與焊接有關。通過對焊縫組織的觀察，文章分析了顯微組織演變過程及腐蝕開裂的原因，提出并驗證了防護措施。

1 實驗方法與結(jié)果

1.1試樣制備

葉輪本體主要由兩塊距離0.2 m中間夾有風葉的厚0.012 m、直徑1.8 m的2507SSDS鋼板手工電弧焊焊接而成，在其中的一塊板上焊接12個條形擾流板，其中8個靠近葉輪本體邊緣均勻分布，另外4個靠近葉輪本體心部均勻分布，如圖1(a)所示。擾流板使用與葉輪本體相同的材料。葉輪工作時轉(zhuǎn)速為2980 rad/min。所有失效葉輪在其近心部的擾流板附近可見到明顯的裂紋，大多數(shù)裂紋起源于焊縫且靠近熔合線附近的葉輪本體一側(cè)，長短不一，如圖1(b)中圓圈處。割取含擾流板在內(nèi)的樣塊，尺寸為0.13 m×0.13 m，如圖1(c)所示，用線切割方法從樣塊中截取兩個試樣，如圖1(d)所示。

1.2化學成分

在失效葉輪本體上鉆屑取樣，根據(jù)GB/T11170-2008標準，用PANalytical Axios型X熒光光譜儀分析其化學成分。由表1可以看出，各元素的含量均符合2507SDSS規(guī)定的指標范圍。

(a)失效葉輪 (b)裂紋位置 (c)樣塊 (d)試樣

元素CSiMnPSCrNiMoCuWN標準≤0．03≤0．1≤0．1≤0．035≤0．01524．0-26．06．0-8．03．0-4．00．5-1．00．5-1．00．2-0．3實測0．0190．340．690．0220．00625．206．913．660．600．620．23

1.3顯微組織

在遠離焊接熱影響區(qū)的失效葉輪本體上、圖1(c)中方框處截取0.01 m×0.01 m的金相試樣，連同圖1(d)所示的試樣研磨拋光后，用10%(體積分數(shù))草酸溶液在2.0 V電位下電解刻蝕20 s，丙酮清洗后，用Zeiss Axio Observer. Z1m型光學顯微鏡(OM)和FEI INSPECT-F掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織。由圖2可見，葉輪本體為奧氏體與鐵素體雙相組織，兩相的體積比基本為1：1，說明焊接用板材經(jīng)過了恰當?shù)墓倘芴幚?，在鹵水蒸汽中應該可以長期服役[9]。由圖3可見：葉輪本體和擾流板本體均為細小的鐵素體+奧氏體雙相組織，擾流板本體與葉輪本體之間并未完全焊死，二者之間留有縫隙；焊縫由粗大鐵素體柱狀晶構成；焊縫及焊縫與擾流板本體交界區(qū)域未觀察到裂紋，在焊縫與葉輪本體交界區(qū)域存有微裂紋，該裂紋萌生于表面，位于焊縫熱影響區(qū)內(nèi)靠近熔合線的葉輪本體一側(cè)。

1.4裂紋的SEM-EDS分析

用FEI INSPECT-F掃描電鏡觀察圖3(c)中的裂紋形貌，用附帶的X-max型射線能譜儀(EDS)分析微區(qū)成分。由圖4可見，裂紋在擴展過程中，頻繁分叉、橋接，呈典型的樹枝狀特征，據(jù)此可以推斷該裂紋為應力腐蝕開裂的結(jié)果。在裂紋擴展路徑上葉輪本體側(cè)的腐蝕較嚴重，可見明顯的草酸電解蝕刻痕跡(黑色斑點)。

(a)OM形貌 (b)SEM形貌

(a) 交界區(qū)域 (b) 焊縫 (c) 熔合線附近區(qū)域

由圖5可以看出，高倍觀察下的上述蝕刻痕跡實際上是在奧氏體和鐵素體相界形成的蝕坑和蝕溝，或是在鐵素體內(nèi)部形成的蝕坑。由于草酸選擇性腐蝕Cr23C6、Cr2N，說明葉輪本體微觀組織發(fā)生了變化，焊接后析出了富鉻相。

圖4圖3(c)中裂紋的SEM形貌

由圖6可知，在裂紋尖端位置1處殘留有微量的氯。這說明環(huán)境中的氯離子沿著裂紋向裂紋尖端傳輸，促進裂紋擴展，因此，該裂紋是Cl-促進下SCC的結(jié)果。另外，位置1富集了大量的鉻元素，含量高達36.6%，遠超過平均值25.2%，鉬元素的含量只有2.77%，低于平均值3.66%。因此，進一步表明，析出的富鉻而不富鉬的二次相為Cr23C6、Cr2N。

2 開裂原因

2507雙相不銹鋼耐蝕元素含量較高，經(jīng)過恰當?shù)墓倘芴幚砗?，能夠得到比例相當?shù)蔫F素體與奧氏體雙相組織，從而在含Cl-環(huán)境中具備優(yōu)良的耐腐蝕性能。然而，在焊接過程中，SDSS因焊接熱循環(huán)的作用其原始組織容易被破壞[10]，尤其是二次相Cr23C6、Cr2N等的析出 。二次相中富集了鉻、鉬等主要耐蝕元素[11-12]，因而在其周圍往往出現(xiàn)貧鉻區(qū)而使其耐蝕性降低。由表1可見，葉輪所用不銹鋼中含碳量非常低，只有0.019%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，因此，在焊接過程中，Cr23C6型碳化物析出量非常少，對整體耐腐蝕性能基本沒有影響。草酸電解蝕刻除了選擇性腐蝕不銹鋼中的Cr23C6外，還選擇性腐蝕Cr2N[13]。因此，推測圖5(b)中的蝕坑及蝕溝主要是草酸蝕刻Cr2N形成的。Cr2N周邊為貧鉻區(qū)，耐蝕性嚴重降低，因此，裂紋主要沿著Cr2N周邊擴展。

(a)低倍 (b)高倍

圖6 裂紋尖端的SEM形貌及位置1的EDS譜

SCC除了與材料耐蝕性有關外，還與構件所受拉應力條件有關，通常拉應力越大，SCC越早發(fā)生，裂紋擴展速率也越大。而且，只有拉應力超過閾值應力時才會產(chǎn)生SCC[14-15]。葉輪所受應力主要由工作應力及焊接殘余應力兩部分組成。其中工作應力由葉輪旋轉(zhuǎn)時的離心力及扭矩產(chǎn)生。由于葉輪直徑達1.8 m，其極慣性矩很大，因此，扭矩產(chǎn)生的工作應力可以忽略不計，離心力產(chǎn)生的工作應力計算公式為[15]

(1)

(2)

式中：μ為材料泊松比取0.3；θ為重力加速度9.8 m/s2)；γ為材料密度9650 kg/m3)；γ為內(nèi)孔半徑，實測為0.06 m；γ2為葉輪半徑，實測為0.9 m；σγ為徑向應力；στ為切向應力；ω為角速度，311 rad/s；r為葉輪上任意一點到葉輪中心的距離。

由式(1)和式(2)可得到徑向應力及切向應力隨r的變化曲線，如圖7所示。SCC的裂紋擴展是由裂紋尖端局部塑性變形導致鈍化膜破裂造成的，按膜破裂/滑移溶解機制持續(xù)擴展，因此，其相當應力σr4可按第四強度理論計算，其隨r的變化曲線見圖7。

圖7 工作應力隨r的變化曲線

從圖7可以看出：葉輪所受徑向應力隨r的增大先增后減，最大徑向應力發(fā)生在r為0.232 m處，達221 MPa；切向應力隨r增大持續(xù)減小，最大切向應力發(fā)生在r為0.06 m處(葉輪內(nèi)孔邊緣)，達498 MPa；相當應力隨r增大持續(xù)減小，最大相當應力同樣發(fā)生在r為0.06 m處，最大為498 MPa。顯然，靠近葉輪心部為高工作應力區(qū)域。擾流板附近SCC裂紋的起始階段普遍垂直于擾流板(切向擴展)，應與擾流板焊接在r為0.232 m圓周附近有關。雖沒有直接證據(jù)表明最大相當應力一定超過葉輪特定環(huán)境下SCC的閾值應力，但可以認為，擾流板焊接在這個區(qū)域內(nèi)并不適宜，因為高工作應力與焊接殘余應力疊加更容易引起SCC。

3 預防措施

焊接快冷條件下，Cr元素在鐵素體內(nèi)的擴展速度要比在奧氏體內(nèi)的擴散速度大10倍以上[17]，因此，析出物中的Cr主要來自于鐵素體，這導致鐵素體中的耐蝕元素貧化，使鐵素體成為選擇性腐蝕相。對葉輪作焊后熱處理(重新固溶)能夠重新獲得等比例的雙相組織，并且使焊接時產(chǎn)生的二次析出相溶解，Cr擴散到鐵素體中，N擴散到奧氏體中，即得到耐蝕性相當?shù)碾p相組織。但是，葉輪工作轉(zhuǎn)速高達2980 rad/min，安裝前需要做動平衡檢測與調(diào)整，而焊后熱處理引起的變形極易使動平衡失敗。因此，焊后重新固溶處理并不可行。

失效葉輪的SCC發(fā)生在靠近葉輪心部的四個擾流板附近，這些區(qū)域旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的工作應力顯然要比其它區(qū)域大，容易導致葉輪早期發(fā)生SCC。擾流板的作用是改變蒸汽的流動方向，其效果主要取決于線速度?？拷~輪邊緣的八個擾流板由于線速度大，其擾流效果要明顯好于靠近葉輪心部的四個擾流板，因此，去除靠近葉輪心部的四個擾流板并不會顯著減弱擾流效果。同時，還可以避免由于焊接而導致的葉輪本體耐蝕性下降。去除靠近心部四個擾流板的葉輪試運行1年后的檢查表明，葉輪未產(chǎn)生SCC。

4 結(jié)論

葉輪失效是SCC的結(jié)果：鹵水蒸汽中含有50 mg/kg左右的侵蝕性Cl-，促進了裂紋的萌生與擴展；焊接后葉輪本體耐蝕性降低，在工作應力和焊接殘余應力的聯(lián)合作用下發(fā)生了SCC。

在不宜進行焊后熱處理的情況下，建議去除葉輪近心部區(qū)域的四個擾流板，保留葉輪邊緣附近的八個擾流板。這樣既不會減弱擾流效果，又能避免葉輪本體因焊接導致的耐蝕性下降。采取該措施后，葉輪使用1年未發(fā)生SCC失效。

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MechanismandPreventionofCorrosionCrackingofBlowerImpellers

CHEN Zhao-bing1, ZHOU Bing1,HU Jin-rong1,Zhang Lin-cai2

(1. Jiangsu Jingshen Salt and Chemical Industry Co., Ltd, Huai'an Jiangsu 223200, China;2. Faculty of Mechanical and Materials Engineering, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an Jiangsu 223003, China)

Based on observation of microstructures and crack morphologies, the mechanics of premature corrosion cracking of the scrapped impeller has been investigated. The results have shown that the failure of the impeller was due to stress corrosion cracking promoted by chloride ions. Weld thermal cycle made significant changes to the microstructure of the impeller body near fusion line after welding spoilers on the impeller body. The precipitation of secondary phases led to degradation of corrosion resistance of the impeller body and then stress corrosion cracking under the combination function of welding residual stresses and working stresses. Working stresses on the impeller body are not evenly distributed, the closer to the impeller heart, the greater stresses and the more easily causing stress corrosion cracking. This paper proposed a prevention method for removing the 4 spoilers near the impeller heart. On-site verification shows that this method is effective to prevent premature stress corrosion cracking of the impeller.

salt chemical industry; super stainless steel; welding; stress corrosion cracking; spoiler

TG142.71

A

1009-7961(2017)05-0008-05

2017-06-06

江蘇省科技廳產(chǎn)學研合作促進計劃項目(BY2014103，BY2016061-09, BY2016061-20)

陳兆兵(1970-)，男，江蘇淮安人，工程師，主要從事鹽化工生產(chǎn)與設備管理研究。

(責任編輯：孫文彬)