电厂0Cr18Ni9不锈钢油管断裂失效分析

1、电厂0Cr18Ni9不锈钢油管断裂失效分析电厂0Crl8Ni9不锈钢油管断裂失效分析刘健,宋西平(北京科技大学新金属材料国家重点实验室,北京100083)摘要:采用光学显微镜,扫描电镜等分析手段,对某电厂0Crl8Ni9不锈钢油管断裂表面的金相组织,断口形貌进行了分析和检测,并同正常0Crl8Ni9不锈钢油管的金相组织进行对比.结果表明,断裂油管的显微组织为等轴状奥氏体,晶粒大小在1040m之间变化,这同正常油管的显微组织基本相同.断口分析表明,在断口表面存在大量的疲劳条纹,显示典型的疲劳断裂特征,表明疲劳断裂是其主要失效方式,而油管的高频振动是造成疲劳断裂的主要原因.关键词:0Crl8Ni9

2、不锈钢;油管;疲劳断裂;失效分析中图分类号:TG142.71;TGll3.25文献标识码:B文章编号:0254-6051(2007)12-0103-03Failureanalysison0Crl8Ni9stainlesssteeloiltubeinapowerplantLIUJian,SONGXiping(StateKeyLab.forAdvancedMetalsandMaterials,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)Abstract:Metallurgicalstructureandfracturemo

3、rphologyof0Crl8Ni9stainlessoiltubeinapowerplantwereanalyzedanddetectedbymeansofopticalmicroscopeandscanningelectronmicroscope,comparedwiththemetallurgicalstructureofequiaxedcrystals,withthegrainsizeofabout10-40m,whichwasalmostthesamewiththatofthemicrostmctureofnormaloiltube.SEManalysisfoundthatthere

4、wereplentyoffatiguestriationsonthefracturesurface,thetypicalcharacteristicoffatiguefracture,whichindicatedthatfatiguefracturewasthemainfailuremode,andthehigh一equencyvibrationoftheoiltubewasthemainfactoroffatiguefracture.Keywords:0Crl8Ni9stainlesssteel;oiltube;fatiguefracture;failureanalysis近几年电厂由于电液

5、调节系统油管出现裂纹或断裂而引发的事故时有发生,造成一定经济损失的同时,也威胁到电厂的安全生产,一些人认为导致管道失效的原因是焊接造成母材晶粒粗大,脆硬性增加,因此完厂电液调节系统油管在运行不到6个月后发生了断裂事故,该断口距管道焊接连接部位2cm,管道的材质为0Crl8Ni9不锈钢,母材及焊后均采用了常规工艺热处理.笔者结合电厂实际运行情况,对断裂管道进行检测分析,得出一些有益的结论.1分析方法试样断口并观察外观,用CAMBRIDGE$250一MK2扫描电子显微镜观察断口形貌,然后将断口磨平,抛光,侵蚀,用LeciaDC100金相显微镜对断口部位的显微组织进行观察和分析,并用430SVD维氏

6、硬度计进行硬度测试,载荷砝码300g,保载时间15S.作者简介:刘健(1984一),男,山西临汾人,硕士研究生,主要从事金属材料组织与性能方面的研究.E-mail:liujian-218收稿日期:2007-06-272结果与分析1可以看出管壁厚明显不均匀,经测量,最薄处如箭头mm之间.(n一油管断群处.图1油管断裂位置示意图及断裂面的宏观形貌macrographofthefracturesectioninoiltube2a和b可以看出,无论厚壁处或薄壁处,其断口显微组织都为等轴状的奥氏体,显微组织正常,未发现异常现象,但在断口较薄部分的显微组织中观察到部分滑移线(图2b),说明这里在断裂前经历

7、了一定的塑性变形.观察正常管道的组织,见图2c,其显微组织和断口较厚部分的显微组织基本相同,但无变形痕迹.金属热处理)2007年第32卷第l2期103图20Crl8Ni9钢油管的显微组织(a)断口较厚处(b)断口较薄处(C)正常部位(a)Thickerzoneofthefracturesection(b)Thinnerzoneofthefracturesection(C)Normalzone图3为断口处和正常管道的晶粒大小统计分布,两者晶粒尺寸主要分布在1040m之间,同时±±0.2(95%C.L),基本无差别.图3油管断口处与正常管道晶粒大小的统计分布fracturese

8、ctionandnormalpiping表1为正常管道和断口处的维氏硬度测试结果,可看出它们平均值基本相同,说明断口管道力学性能正常.表1油管的维氏硬度(HV0.3)Table1Viekershardnessoftheoiltube(HV0.3)可观察到细小的疲劳裂纹,裂纹从外壁如箭头A所指的一表面缺陷萌生,并向内壁方向扩展,如箭头B所示.由图4b可看出心部存在大量疲劳裂纹,从图4c可观察到明显的撕裂棱,说明油管最后在这里发生瞬间断裂.图4断裂油管断口的扫描电镜照片(a)表面(b)心部(C)最后瞬断区(a)Surface(b)Center(c)Thefinalsectionoffracture

9、除在表面萌生疲劳裂纹外,在油管外径亚表面也发现了疲劳裂纹,如图5所示,由图5a可看出油管外壁正常,疲劳裂纹均从离表面一定距离的地方开始向内扩展,如白色箭头所示,最后在图5b所在区域发生断裂.3失效机理分析通过对断口显微组织的观察,发现断裂管道和正104金属热处理2007年第32卷第12期扣佑佃50z/JDEculJb管道的晶粒大小统计分布基本相同,说明焊接工艺未可知,管道的失效与材料的显微组织无明显联系.图5油管亚表面疲劳断裂区(a)亚表面(b)最后断裂区(a)Subsurface(b)Thefinalsectionoffracture扫描电镜观察显示,断口存在大量明显的疲劳裂纹,并能观察到疲

10、劳源位置,根据这些特征可判断油管纹在表面,心部以及最后断裂区时的SEM照片,可以出,虽然在这些区域油管表面正常,但亚表面在三向应力作用下仍然萌发疲劳裂纹.经过实际了解,油管在口较薄部分强度较低,在其显微组织中观察到一定的滑移线,而滑移是材料中萌生微裂纹的重要因素H,因此裂纹便在滑移导致的表面挤入/挤出形成的缺陷处优先萌发.随着裂纹在管道较薄处向内不断扩展,管道有效面积不断减少,裂纹扩展速度也就不断增加,当疲劳裂纹达到临界尺寸时,管道便发生瞬间断的高频振动促使裂纹在管壁表面,亚表面以及缺陷处时,便发生断裂.为避免事故再次发生,本研究建议从以下几个方面采取措施:采用表面处理方法减少管道表面缺陷,提

11、高表面强度,增加表面压应力和光洁度,以延缓疲劳裂纹的萌生.减少油管的高频振动,以减低其扰动载荷,达到降低疲劳裂纹扩展速率的目的.目前,电厂采用支架对电液调节系统油管进行了固定,大大减少了其高频振动,系统工作正常,未再出现油管断裂事故.4结论(1)疲劳失效是0Crl8Ni9不锈钢油管断裂的根本原因.(2)0Crl8Ni9不锈钢油管断裂与管道材质无关,但与管道壁厚不均匀有关,管道某些地方较薄加速了疲劳失效.参考文献:1陈传尧.疲劳与断裂M.武汉:华中科技大学出版社,2001:911.2钟群鹏,田永江.失效分析基础M.北京:机械工业出版社,1988:99.3孙智,江利,应鹏展.失效分析M.北京:机械工业出版社,2005:142145.第十届全国典型零件热处理技术交流会暨第七届物理冶金学术报告会征文通知由全国热处理学会典型零件热处理技术委员会和物理冶金技术委员会联合主办的"第十届典型零件热处理技术交流会暨第七届物理冶金学术报告会"拟