期刊介绍
期刊导读
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盐化工风机叶轮早期腐蚀失效的分析与预防(4)
图2 失效叶轮本体的显微组织Fig.2 Microstructure of failure impeller body: (a) OM morphology and (b) SEM morphology
图3 图1(d)中扰流板附近的微观形貌Fig.3 Micromorphology near spoiler shown in Fig.1(d): (a) boundary area; (b) weld and (c) area near fusion line
图5 裂纹扩展路径区域的SEM形貌Fig.5 SEM morphology of crack growth path area: (a) low magnification and (b) high magnification
图4 图3(c)中裂纹的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of cracks shown in Fig.3(c)
本体侧的腐蚀较严重,可见明显的草酸电解蚀刻痕迹(黑色斑点)。
由图5可以看出,高倍观察下的上述蚀刻痕迹实际上是奥氏体和铁素体相界处形成的蚀坑和蚀沟,或是铁素体内部形成的蚀坑。由于草酸会选择性腐蚀Cr23C6、Cr2N相,这就说明叶轮母材在焊接后析出了富铬相,其显微组织发生了变化。
由图6可知,在裂纹尖端位置1处残留有微量的氯。这说明环境中的氯离子沿着裂纹向裂纹尖端传输,促进裂纹扩展,因此,该裂纹是Cl-作用下SCC的结果。另外,位置1富集了大量的铬元素,其质量分数高达36.6%,远超过母材的实测值(25.2%),钼元素质量分数只有2.77%,低于实测值(3.66%)。这进一步表明,焊接后的析出相富铬而不富钼,为Cr23C6、Cr2N相。
图6 裂纹尖端的SEM形貌及位置1的EDS谱Fig.6 SEM morphology (a) at crack tip and EDS spectrum (b) at area 1
2开裂原因
EN1.4501双相不锈钢耐蚀元素含量较高,经过恰当的固溶处理后,能够得到含量相当的铁素体与奥氏体双相组织,从而在含Cl-环境中具备优良的耐腐蚀性能。然而,在焊接过程中,该钢因焊接热循环的作用其原始组织发生了变化[10],析出Cr23C6、Cr2N等二次相。二次相中富集了铬等主要耐蚀元素[11-12],因此在其周围会出现贫铬区而导致基体耐蚀性能的降低。由表1可见,叶轮用不锈钢的含碳量非常低,只有0.019%(质量分数,下同),因此,在焊接过程中,Cr23C6型碳化物析出量非常少,对整体耐腐蚀性能基本没有影响。草酸电解蚀刻除了选择性腐蚀不锈钢中的Cr23C6相外,还选择性腐蚀Cr2N相[13]。因此,推测图5(b)中的蚀坑及蚀沟主要是草酸腐蚀造成的。Cr2N相周边为贫铬区,耐蚀性能下降严重,因此,裂纹主要沿着Cr2N相周边扩展。
SCC除了与材料耐蚀性有关外,还与构件所受拉应力水平有关。通常拉应力越大,SCC越早发生,裂纹扩展速率也越大。而且,只有拉应力超过阈值应力时才会产生SCC[14-15]。叶轮所受应力主要由工作应力及焊接残余应力组成。其中,工作应力由叶轮旋转时的离心力及扭矩产生。由于叶轮直径达1.8 m,其极惯性矩很大,因此,扭矩产生的工作应力可以忽略不计,离心力产生的工作应力计算公式[16]为
式中:μ为材料泊松比,0.3;g为重力加速度,9.8 m·s-2;γ为材料密度,9 650 kg·m-3;r1为内孔半径,0.06 m;r2为叶轮半径,0.9 m;σr为径向应力;σt为切向应力;ω为角速度,311 rad·s-1;r为叶轮上任意一点到叶轮中心的距离。
由式(1)和式(2)可得到径向应力及切向应力随r的变化曲线,如图7所示。SCC的裂纹扩展是由裂纹尖端局部塑性变形导致钝化膜破裂造成的,按膜破裂/滑移溶解机制持续扩展,因此,其相当应力σr4可按第四强度理论计算,其随r的变化曲线也列于图7。
图7 叶轮表面应力随r的变化曲线Fig.7 Stress on impeller surface vs r curves
由图7可以看出:叶轮所受径向应力随r的增大先增后减,最大径向应力发生在r为0.232 m处,达221 MPa;切向应力随r的增大持续减小,最大切向应力发生在r为0.06 m处(叶轮内孔边缘),达498 MPa;相当应力随r的增大持续减小,最大相当应力同样发生在r为0.06 m处,最大为498 MPa。显然,靠近叶轮心部为高工作应力区域。扰流板附近SCC裂纹在起始阶段普遍垂直于扰流板(切向扩展),这应该是与扰流板焊接在r为0.232 m圆周附近有关。虽没有直接证据表明最大相当应力一定超过叶轮在特定环境下SCC的阈值应力,但可以认为,扰流板焊接在这个区域内并不适宜,因为高工作应力与焊接残余应力叠加更容易引起SCC。
3预防措施
在焊接快冷条件下,铬元素在铁素体内的扩展速率比在奥氏体内的大10倍以上[17]。因此,析出物中的铬主要来自于铁素体,这导致铁素体中的耐蚀元素贫化,使铁素体成为选择性腐蚀相。对叶轮作焊后热处理(重新固溶)能够重新获得等含量的双相组织,并且使焊接时产生的二次析出相溶解,铬元素扩散到铁素体中,氮元素扩散到奥氏体中,即得到耐蚀性相当的双相组织。但是,叶轮工作转速高达2 980 r·min-1,安装前需要做动平衡检测与调整,而焊后热处理引起的变形极易使动平衡变化。因此,焊后重新固溶处理并不可行。
文章来源:《现代盐化工》 网址: http://www.xdyhg.cn/qikandaodu/2020/0808/447.html
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