不锈钢可调连杆断裂失效分析

(国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福州 350007)

连杆是石油、化工、电力、能源等工业生产中常用的机构件,常用材料有碳钢、合金钢和不锈钢,在连杆使用过程中,由于材料缺陷、应力和腐蚀等原因造成的失效时有发生,造成各类事故[1-5]。不锈钢相较于碳钢、合金钢,具有更好的耐腐蚀性能,因此不锈钢连杆在沿海输变电设备中得到了广泛应用。在福建某500 kV 变电站停电检修时发现,某与刀闸连接的可调连杆发生断裂,该可调连杆的设计材料为304奥氏体不锈钢(以下称304不锈钢)。为了防止断裂现象再次发生,对该断裂的不锈钢连杆进行理化检验,分析其在福建沿海环境中发生失效的原因。

1 理化检验及结果

1.1 宏观检验

对失效断裂部件断口形貌进行宏观及微观观察是分析断裂原因的有效方法[6]。断裂可调连杆的现场照片见图1。由图1可知,可调连杆的断裂位置发生在其螺杆处,当刀闸处于合闸状态下时,可调连杆的螺杆主要承受拉力。

对断裂的螺杆及同型号未使用的螺杆进行宏观观察,其形貌如图2所示。从图2中可以看出:断裂螺杆外表面存在明显腐蚀现象,并可见腐蚀坑,腐蚀区域存在腐蚀产物,其断口较平整,断口与连杆轴线垂直,断口覆盖有腐蚀产物,而新螺杆总体呈现出银白色的金属光泽,未见锈蚀。

1.2 化学成分分析

根据GB/T 233—2007 《钢铁及其合金化学分析方法》分析断裂螺杆及新螺杆的化学成分,结果见表1。从表1中可以看出,断裂螺杆成分与标准304不锈钢的成分有一定偏差,其中Cr元素含量和Ni元素含量略低于标准值,C元素含量严重超出标准值,达到0.23 %(质量分数，下同),远高于标准值0.08%,Mn元素含量为3.06%,高于标准值。化学成分分析结果显示,断裂螺杆的化学成分不符合304不锈钢的制造标准;而新螺杆的各化学元素含量均在标准范围内。

(a) 安装位置

(b) 断裂部位图1 断裂可调连杆的现场照片Fig.1 Images of fractured adjustable connecting rod:(a)installation site;(b)fractured part

(a) 断裂螺杆断口

(b) 断裂螺杆外表面

(c) 新螺杆图2 断裂螺杆及新螺杆的宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture (a)and outer surface (b)of fractured screw and new screw (c)

表1 螺杆的化学成分及标准(质量分数)Tab.1 Chemical composition of screws and standard (mass fraction) %

1.3 金相检验

截取断裂螺杆及新螺杆的横截面制成金相试样,用FeCl3盐酸水溶液浸蚀试样,然后用Axio Observer Alm金相显微镜对其组织进行观察,结果见图3。由图3可知,断裂螺杆的显微组织为奥氏体,在晶界有沿晶析出的碳化物,新螺杆的显微组织也是奥氏体,但未见晶界析出物。依据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》中的截点法对晶粒进行评级,可得断裂螺杆的晶粒度为9.5级,而新螺杆的晶粒度为10级。

(a) 断裂螺杆

1.4 断口形貌和腐蚀产物分析

使用ZEISS EVO18扫描电子显微镜(SEM)对螺杆断口的微观形貌进行观察,断口形貌如图4所示;用Oxford X-maxN能谱仪(EDS)对覆盖于断口的腐蚀产物进行成分分析,分析结果如图5所示。

从图5中可以看出:该断裂螺杆的断口为沿晶断裂,晶粒呈冰糖状,并具有明显的二次裂纹,说明螺杆的断裂形式为脆性断裂[7-9]。从图5中可以看出:断口腐蚀产物中主要含有Fe,Cr,Mn,O,S,Cl,Ni,Al等元素,这说明硫化物和氯化物直接促进了奥氏体不锈钢的腐蚀。

图4 螺杆断口的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of screw

图5 螺杆断口腐蚀产物的EDS谱Fig.5 EDS spectrum of corrosion product on fracture of screw

将断裂螺杆垂直于断口方向剖开,利用扫描电镜的背散射模式对不锈钢螺杆的剖面进行微观组织分析,其形貌如图6所示。从图6中可以看出,该失效螺杆存在内部裂纹,裂纹源于其边缘,沿晶界呈网状向内部扩展,这说明失效螺杆的晶界弱化[5],具有应力腐蚀特征[10]。

1.5 硬度测试

按照GB/T 231.1—2009《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》的规定采用UH250型布洛维硬度计在断裂螺杆和新螺杆的剖面上进行布氏硬度测试,硬质合金球直径2.5 mm,载荷1.839 kN,结果见表2。布氏硬度测试结果表明,断裂螺杆的布氏硬度值偏高,不符合相关标准的技术要求,新螺杆的布氏硬度值正常,在标准范围内。

图6 断裂螺杆剖面的微观形貌Fig.6 Micro morphology of profile of fractured screw

表2 断裂螺杆和新螺杆的布氏硬度测试结果Tab.2 Results of Brinell hardness test for fractured and new screws HBW

2 失效原因分析

奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性能,然而在特定介质体系中会发生局部腐蚀,如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀开裂等[11-12]。在特定的腐蚀介质和应力存在情况下,不锈钢易发生应力腐蚀开裂[13]。该失效可调连杆所在变电站位于福建沿海工业区,服役大气环境中含有较高硫化物和氯离子两种腐蚀介质[14-15],而304不锈钢对硫化物和氯离子具有应力腐蚀敏感性;另一方面,刀闸在合闸状态下,可调连杆主要承受拉应力。这两种因素构成了该不锈钢连杆发生应力腐蚀的条件。根据断口宏观形貌观察可知,断裂失效为脆性断裂,不锈钢连杆外表面锈蚀说明其材料在这种服役环境中的耐腐蚀性能较差;根据断口微观形貌观察可知,断口晶粒呈冰糖状,晶粒间二次裂纹清晰可见,具有典型的沿晶断裂特征,断口腐蚀产物中含有S和Cl等腐蚀性元素,说明不锈钢连杆的腐蚀是由大气中的硫化物和氯离子引起的;根据微观组织分析,断裂连杆剖面近表面区域存在网状裂纹,裂纹由表面萌生并沿晶界向内部扩展,说明该不锈钢连杆发生了晶间腐蚀[5,10]。综上所述,该不锈钢连杆断裂原因为应力腐蚀开裂。

化学成分检测结果表明,新连杆化学成分正常,但断裂连杆所用304奥氏体不锈钢的成分与标准成分存在一定偏差。其中,Cr和Ni含量略低于标准值。Cr元素是不锈钢获得耐腐蚀性能的主要元素。一般来说,不锈钢中Cr含量高于12%(质量分数)时,不锈钢才能具有良好的耐腐蚀性能[16]。虽然失效不锈钢连杆的Cr和Ni含量不达标,但这并不是其发生腐蚀失效的主要原因。C元素能够增加钢材的强度,然而在不锈钢中一般被认为是杂质。这是因为C元素能够与Cr元素结合在晶界形成碳化物Cr23C6,从而使晶界附近形成贫铬区,当Cr质量分数低于12 %时,将无法形成有效的钝化膜,因此贫铬晶界成为点蚀和晶间腐蚀萌生的优先位置,大大降低不锈钢的耐蚀性,导致不锈钢在酸性或氯离子环境中发生局部腐蚀[13]。该断裂连杆中碳质量分数为0.23%,远远高于标准值0.08%,因此极易形成Cr23C6,导致腐蚀发生。除此之外,失效连杆中Mn含量偏高,Mn会与C、S形成金属夹杂物,破坏晶粒间的结合力,降低不锈钢的耐腐蚀能力[17]。硬度测试结果表明,新连杆剖面的布氏硬度正常,但断裂连杆剖面的布氏硬度明显偏高,说明断裂连杆的塑性和韧性较差。硬度偏高与该断裂螺杆原材料中C、Mn含量偏高以及锻造时加工硬化有关[5]。

综合上述宏观形貌、微观形貌、化学成分分析以及硬度测试数据可知,该可调连杆的失效断裂为应力腐蚀断裂,导致应力腐蚀的主要原因是材料中过高的碳含量。另外,含硫化物和氯离子的服役环境以及工作时承受的拉应力也是诱发不锈钢连杆应力腐蚀的主要原因。

3 结论与建议

该失效不锈钢连杆所用材料不符合标准304不锈钢的要求。不锈钢连杆的失效是由应力腐蚀开裂引起的,材料中过高的碳含量、含硫化物和氯离子的服役环境以及工作时承受的拉应力是诱发不锈钢应力腐蚀的主要原因。

建议加强不锈钢连杆的质量验收,确保其成分及显微组织符合要求,并对此类易发生应力腐蚀的部件加强巡查,及时排除安全隐患。