304不锈钢波纹补偿器失效分析.pdf

第７卷第４期２０１３年１２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＩ。ＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＩ。ＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．７，Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２０１３———文章编号：１６７３９９８１（２０１３）０４０２７６０４３０４不锈钢波纹补偿器失效分析肖晓玲，况敏，林凯生广东省１＝业技术研究院（广州有色金属研究院）新材料研究所，广东广州５１０６５０摘要：利用金相显微镜、扫描电镜和显微硬度计等，对某３０４不锈钢波纹补偿器的断口进行了观察和测试分析．结果表明：３０４不锈钢的奥氏体晶粒内有许多变形的滑移线，且在奥氏体晶界上有碳化物沉淀析出；补偿器的断口呈冰糖状花样特征，断口面处存在较深的沿晶界的二次裂纹，断裂性质为沿晶脆性断裂；此晶界弱化的不锈钢在工作时，受工作应力作用萌生微裂纹，微裂纹扩展导致波纹管断裂．关键词：波纹补偿器；不锈钢；断裂；失效分析中图分类号：ＴＨｌ４２文献标识码：Ａ波纹补偿器属于一种补偿元件，由主体波纹管（一种弹性元件）和端管、支架、法兰及导管等附件组成，主要用于各种管道中．其工作原理是利用自身的弹性变形，补偿管道由于热变形、机械变形和各种机械振动而产生的轴向、角向、侧向及其组合位移，补偿器具有耐压、密封、耐腐蚀、耐高温、耐冲击及减振降噪的功能，从而起到降低管道变形和提高管道使用寿命的作用．不锈钢波纹管补偿器作为敏感元件、减震元件、补偿元件、密封元件、阀门元件及管路连接件，广泛应用于自动控制和测量仪表、真空技术、机械工业、电力工业、交通运输及原子能工业等领域中．由于补偿器可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致其寿命的降低甚至失效［１］．因此，正确地选择波纹管的制作材料和结构、合理设计波形参数和疲劳寿命、保证安装质量等措施，能大大提高波纹膨胀节（补偿器）的安全可靠性．某公司生产的３０４不锈钢波纹管补偿器在被安装调试时，其不锈钢环形波纹管在第一环齐法兰处整体断裂．故障发生后，受委托对其进行了检测分析，试图找出波纹管补偿器失效的原因，为今后波纹管生产和安全运行提供技术支持．—收稿日期：２０１３１０一２３作者简介：肖晓玲（１９６６一），女，湖南祁东人，高Ｔ，博士１外观检查试样为两端带有法兰、中间由纵缝焊接不锈钢管胚制成的环形波纹管补偿器，其材质为３０４不锈钢，属单层结构．该补偿器安装调试时不锈钢环形波纹管在第一环齐法兰处整体断裂，断口与波纹管补偿器轴向垂直（图１），断口表面齐整，肉眼可见金属反光颗粒（图２）．图１失效的波纹补偿器Ｆｉｇ．１Ｉｍａｇｅｏｆｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒａｆｔｅｒｆａｉｌｕｒｅ万方数据第７卷第４期肖晓玲，等：３０４不锈钢波纹补偿器失效分析图２断口形貌Ｆｉｇ．２Ｉｍａｇｅ０ｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ２化学成分、金相组织及硬度测试２．１化学成分分析截取断裂的波纹管基体进行化学成分分析，结果列于表１．由表１可知，波纹管材质成分符合ＪＩＳＧ—４３０４２００５中关于ＳＵＳ３０４的标准要求．２．２组织观察及硬度测试波纹补偿器断裂处的厚度约为０．７ｍｍ，从波纹管断ＬＩ处轴向截取试样，先镶嵌研磨抛光，再经三氯化铁盐酸水溶液侵蚀后进行组织观察（图３）．从图３可见，试样的显微组织为奥氏体，由于波纹管表１波纹管补偿器的化学成分Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ成型加工，致使奥氏体组织沿图３（ａ）的轴向呈带状分布，奥氏体晶粒上布满变形的滑移线，并且奥氏体晶界上有碳化物析出（图３（ｂ）中箭头所示晶界上的黑色物）［２：．图３断口基材金相照片（ａ）低倍；（ｂ）高倍Ｆｉｇ．３Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｒａｃｔｕｒｅ（ａ）ｌｏｗｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ；（ｂ）ｈｉｇｈｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ将金相试样置于扫描电镜下进行观察（图４）．从图４可见，奥氏体中滑移线清晰可见，并且各滑移线之间或互相平行，或呈６０。和９０。夹角，经分析确定为面心立方＜１１０＞晶向，即奥氏体的滑移方向．截取波纹管断口，经清洗后置于扫描电镜下观察，图５为试样断口的ＳＥＭ图．从图５可见，波纹管断裂表面似沿晶冰糖状花样，且存在较深的沿晶的二次裂纹（如箭头所示）．对金相试样进行硬度测试，载荷为１００ｇ，加载时间为１５ｓ，结果列于表２．由表２可知，试样平均硬度测试值为３８１．２ＨＶ。。，表明３０４不绣钢的显微硬度高于其固溶处理后退火态硬度，其退火态硬度一般为３３０ＨＶ¨．１二ｒ．万方数据２７８材料研究与应用图４奥氏体组织中滑移线的扫描电镜照片Ｆｉｇ．４ＳＥＭｉｍａｇｅｓｓｈｏｗｉｎｇｓｌｉｐｌｉｎｅｓｉｎａｕｓｔｅｎｉｔｅ图５试样断口的ＳＥＭ照片Ｆｉｇ．５ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｅ表２波纹管补偿器的硬度测试值Ｔａｂｌｅ２Ｈａｒｄｎｅｓｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｊｏｉｎｔ检测次数１２３４５平均值硬度值ＨＶ¨３５１．５３７４．６４１２．２３８１．９３８５．６３８１．２３断口失效分析一般来说，奥氏体不锈钢存在一个敏化温度区间．当奥氏体不锈钢进行固溶处理时，如果在敏化温度区间停留时间过长，碳化铬在奥氏体晶界会沉淀析出，从而引起奥氏体晶界附近的固溶体中铬的浓度不断降低及贫化，使晶界区域很难达到钝化所需的最低含铬量，因而造成奥氏体晶界弱化．所以，３０４不锈钢在固溶处理时应快速通过敏化温度区间，以避免奥氏体晶界弱化．另外，奥氏体不锈钢波纹补偿器的失效在管线试压和运行期间均有发生，其失效主要表现为腐蚀泄漏和失稳变形两种形式，其中以腐蚀失效居多［４］．该波纹管补偿器的材质为３０４不锈钢，属单层结构．由金相分析可知，其组织形态为奥氏体组织，但在其晶界上有碳化物析出，是造成该３０４不锈钢奥氏体晶界弱化的原因之一．奥氏体不锈钢波纹管在加工及成型过程中，由于滚压、液压、胀压成型，均会在波纹管波峰及波谷处发生一定的塑性变形，晶粒被拉长或破碎．金相分析结果显示，奥氏体晶粒内有许多变形的滑移线，说明在加工时该３０４不锈钢材料已被拉伸变形．另外，波纹管的波峰、波谷和波侧处塑性变形的不一致性，使波纹管内必然产生残余应力＿］，存在加工硬化现象，所以硬度测试值偏高．在外力作用下３０４奥氏体不锈钢发生平缓过载断裂，其断口表面微观形貌应该是韧窝．但据观察，不锈钢波纹补偿器的断口表面形貌似冰糖状花样，而且存在较深的二次裂纹，属脆性断裂，进一步说明该波纹管的不锈钢材料的塑性下降，抗拉强度不足．因此，该波纹管补偿器的不锈钢板材质有两个不足：一是接近不锈钢屈服状态，使不锈钢的塑性下降；二是不锈钢基体晶界弱化．当带有以上两隐患的不锈钢波纹补偿器在安装调试时，因工作应力，奥氏体晶界萌生裂纹，裂纹萌生后在后续使用中裂纹沿弱化的晶界扩展，造成不锈钢材料沿晶脆断．４结论（１）３０４不锈钢波纹管补偿器的奥氏体晶粒内有许多变形的滑移线，并且在其晶界上有碳化物沉淀析出．（２）波纹管补偿器材质存在加工硬化现象，硬度值为３８１．２ＨＶ叫，补偿器断裂性质为沿晶脆性断裂．（３）波纹管补偿器断裂源于不锈钢波纹管在生产过程中出现晶界弱化，晶界弱化的不锈钢在工作时，受工作应力作用萌生微裂纹，微裂纹扩展导致波纹管断裂．参考文献：［１］刘新斌，罗仕发．波纹管补偿器的配管设计与应用Ｉ－Ｊ］．—南方金属，２００２（３）：２１２３．［２］俞宝罗。胡光立．合金钢与高温合金［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，１９８５．［３］任颂赞，张静江，陈质如，等．钢铁金相图谱［Ｍ］．上海：万方数据第７卷第４期肖晓玲，等：３０４不锈钢波纹补偿器失效分析２７９上海科学技术文献出版社，２００３．［４］薛红兵，成书文．高炉煤气管道金属波纹管补偿器失效—分析及处理［Ｊ］．浙江冶金，２０１２，５（２）：５８６０．［５］高志平．高炉煤气管系用金属波纹管膨胀节失效机理分—析及对策［Ｊ］．压力容器，２００６，２３（４）：４７５０．ＦａｉｌｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｍａｄｅｏｆ３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌＸＩＡＯＸｉａｏｌｉｎｇ，ＫＵＡＮＧＭｉｎ，ＬＩＮＫａｉｓｈｅｎｇＤｅｐｔ．ｏｆｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｅｎｅｒａｌＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＮｏｎ一九ｒｒｏｕｓＭｅｔａｌｓ），Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｏｆｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｍａｄｅｏｆ３０４ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅ—ｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭａｎｄｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔｏｒ．Ｍａｎｙｄｅｆｏｒｍｅｄ—ｓｌｉｐｌｉｎｅｓｗｅｒｅｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎＡｕｓｔｅｎｉｔｅｇｒａｉｎｓ，ａｎｄｔｈｅｃａｒｂｉｄｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓａｐｐｅａｒｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｇｒａｉｎ－ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓｏｆＡｕｓｔｅｎｉｔｅ．Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｗａｓｂｒｉｔｔｌｅｗｉｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｕｇａｒｃａｎｄｙｐａｔｔｅｒｎ．Ｔｈｅｒｅｗｅｒｅｔｈｅｓｅｃｏｎｄｄｅｅｐｃｒａｃｋｓａｌｏｎｇｔｈｅｇｒａｉｎｓｉｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｗｈｅｎｔｈｅｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｗｉｔｈ—ｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｙｗｅａｋｎｅｓｓｗａｓａｔｗｏｒｋ，ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎａｎｄ—ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆ—ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋｓｈａｐｐｅｎｅｄｄｕｅｔｏｓｔｒｅｓｓ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｉｎｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｃｏｒｒｕｇａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ；ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ；ｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓ万方数据