鄭文祥

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司華東電力試驗研究院, 安徽 合肥 230011)

0 引言

壓力閥門在壓力管道系統(tǒng)中一般起到控制壓力管道開閉、壓力調節(jié)等作用，對管道的正常運行具有重要影響。此外，電站用壓力閥門是一種結構較為復雜的部件，在組合、安裝的過程中容易出現泄露、失效等問題[1]。

某熱電廠1號汽機排汽至中壓供熱蒸汽母管，蒸汽壓力一次閥門在運行一段時間后發(fā)生斷裂失效。該閥門尺寸為DN10 mm，材質為304SS，對應NB/T 47010-2017[2]中的07Cr19Ni10，為18Cr- 8Ni型奧氏體耐熱鋼，具有持久強度高、抗蒸汽氧化及高溫煙氣腐蝕性能優(yōu)異的特點，冷變形能力、焊接性能良好[3]。根據相關資料，與閥門連接的排汽管內介質最高溫度370 ℃，最高壓力2.6 MPa。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

圖1為來樣閥門的宏觀形貌，由圖1(a)可知，閥門在螺紋連接件螺紋末端發(fā)生斷裂。圖1(b)顯示斷口平整，無明顯塑性變形，宏觀上屬于脆性斷裂[4,5]。圖1(b)中白色圓環(huán)狀區(qū)域內(圖中箭頭1)可見明顯磨損痕跡，當閥門處于工作狀態(tài)時，圖中螺母狀連接件(白色虛線所在平面)向下旋緊與圖1(a)中的方形閥門主體相互接觸。受緊固力矩作用，斷裂位置存在較大的應力[6]。

(a)宏觀圖片 (b)斷口形貌圖1 閥門宏觀形貌

1.2 成分分析

采用XL2980型便攜式X射線熒光光譜儀對來樣閥門的主要合金元素含量進行測試，結果見表1。結果顯示來樣閥門的主要合金元素含量符合NB/T 47010-2017中07Cr19Ni10不銹鋼的要求。

表1 來樣閥門光譜分析結果 單位：wt%

1.3 顯微組織分析

從斷口附近切取金相試樣，經磨制拋光后，采用氯化鐵鹽酸溶液腐蝕，在Carl Zeiss Axio Observer A1m型金相顯微鏡下觀察金相試樣的組織形態(tài),圖2為來樣閥門斷口附近的金相組織照片。

(a)斷口及斷口附近組織12.5× (b)A位置組織200×

(c)B位置組織200× (d)C位置組織200×

(e)遠離斷口處組織500×

圖2(a)可見斷口處裂紋向外與變截面相連，向內與螺紋根部相連，寬約3 mm，斷口較為平整。圖2(b)～(d)為斷口近外表面組織，可見斷口附近組織中奧氏體晶界較寬，晶界處存在顆粒狀析出相呈半連續(xù)狀分布，裂紋沿晶界擴展。圖2(c)顯示裂紋擴展區(qū)部分位置存在二次裂紋，二次裂紋呈沿晶擴展傾向，與主裂紋呈約45°方向由外壁向內壁方向擴展。圖2(e)顯示遠離斷口處的組織中奧氏體晶界寬化，晶界處存在顆粒狀析出相呈半連續(xù)狀分布。閥門斷口附近和心部組織中均存在呈帶狀分布的軋制條帶。

1.4 硬度分析

利用臺式布氏硬度計，施加187.5 kgf載荷，15 s保載時間，對備品閥門和斷裂閥門進行布氏硬度檢驗，見表2所示，結果表明斷裂閥門和備品閥門硬度均遠高于標準要求的上限。

表2 布氏硬度試驗結果

1.5 掃描電鏡及能譜分析

利用蔡司Sigma300熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對斷裂位置進行顯微組織觀察和斷口分析。

圖3為斷口附近掃描電鏡形貌，由圖3(a)可見斷口外表面附近奧氏體晶界明顯寬化，圖3(b)顯示晶界位置分布有顆粒狀析出相。對圖3(b)中的A(晶界)、B(基體)、C(晶界)位置進行能譜分析，結果見表3。能譜測試結果可見奧氏體晶界位置存在以鉻(Cr)為主要合金元素的碳化物。

(a)斷口外表面附近顯微組織300× (b)斷口靠近外表面附近高倍形貌3000×圖3 斷口附近金相掃描圖片

表3 能譜測試結果 單位：wt%

圖4為來樣閥門的斷面掃描照片，由圖4(a)、(b)可見主斷口整體呈現出冰糖狀形貌，符合沿晶斷裂斷口特征[7]，其中圖4(b)顯示閥門斷口外表面附近存在大量沿晶界分布的二次裂紋，晶界結合強度較差。

(a)斷面形貌38× (b)外表面附近形貌300×圖4 斷口形貌圖片

2 試驗結果分析

失效壓力閥門的化學成分符合相關標準的要求，但硬度遠高于標準要求；金相圖片可見閥門組織中存在軋制條帶，主裂紋沿晶擴展，附近奧氏體晶界明顯寬化，部分碳化物呈半連續(xù)或連續(xù)狀分布在奧氏體晶界上；斷口分析顯示閥門呈脆性沿晶開裂，說明閥門的韌性較差。

奧氏體不銹鋼成型后需要進行固溶處理，將材料加熱到1 100 ℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳(C)固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達到過飽和狀態(tài)(此時組織中的碳處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會再與Cr形成高鉻碳化物)，起到強化固溶體，并提高韌性和抗蝕性能、消除應力的作用。根據NB/T 47010-2017及相關文獻[8]，07Cr19Ni10鍛后需進行固溶處理，且固溶處理完成后其組織應為等軸晶，不得出現帶狀組織。本次檢驗的閥門中出現了大量沿晶界分布的高鉻碳化物，Cr與C的結合并析出降低了基體中的溶解量，固溶強化效果減弱；同時高鉻碳化物在奧氏體晶界位置的析出導致基體連續(xù)性變差，造成基體的韌性降低。根據來樣閥門斷口特征，結合金相及掃描電鏡分析，判斷來樣閥門材料未進行固溶熱處理或者固溶熱處理不當，導致了材料性能不能滿足使用要求。

來樣閥門裂紋產生于結構中最為薄弱的部位，其有效結合厚度僅有3 mm，并且外表面為變截面，同時斷裂位置受緊固力矩作用，應力集中明顯。根據二次裂紋的走向和斷口附近組織可以判斷裂紋起源于連接位置的外表面，由于材料力學性能較差，裂紋產生后快速沿晶擴展，最終貫穿內外壁發(fā)生斷裂。

3 結論與建議

(1) 來樣閥門由于未進行固溶處理或者固溶處理不當，導致金相組織中存在軋制條帶，硬度遠高于標準要求。

(2) 閥門安裝過程中受緊固力矩作用，結構中的變截面位置存在應力集中。此外，閥門服役過程中高溫蒸汽的壓力變化使得應力集中部位承受了額外的附加應力，導致裂紋在變截面位置產生，而后快速沿晶擴展，造成閥門斷裂失效。

(3) 建議加強入場材料的驗收管理，根據NB/T 47010-2017選取合適的非破壞性驗收方法，保證閥門所用材料符合要求。

(4) 建議規(guī)范閥門的緊固工藝，嚴格按照規(guī)定的力矩緊固。