離心機(jī)用304不銹鋼應(yīng)力腐蝕失效分析
技術(shù)支持
304不銹鋼（0Cr18Ni9）是18-8型Cr-Ni奧氏體不銹鋼的典型鋼種，由于具有優(yōu)良的耐蝕性，耐熱性，低溫強(qiáng)度和機(jī)械加工性能，其產(chǎn)銷量占到奧氏體不銹鋼的80%左右，廣泛應(yīng)用于離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的制造生產(chǎn)中。離心機(jī)是常用的進(jìn)行分離和沉淀的設(shè)備，用途廣泛，大量應(yīng)用于化工、石油、食品、制藥等行業(yè)。轉(zhuǎn)鼓作為離心機(jī)的核心部件，如果出現(xiàn)問題會(huì)直接影響離心機(jī)的使用，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行甚至工人的安全。所以對(duì)相關(guān)事故的分析，對(duì)生產(chǎn)具有實(shí)際意義。
1 設(shè)備情況
某淀粉廠有4臺(tái)同型號(hào)用于加工淀粉的離心機(jī)，離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的鼓蓋和鼓底為304不銹鋼固溶狀態(tài)，鼓身為304不銹鋼軋材。常溫下工作，工作介質(zhì)為淀粉。在使用了兩年之后，轉(zhuǎn)鼓鼓底出現(xiàn)周向裂紋。為確定其產(chǎn)生原因，對(duì)轉(zhuǎn)鼓體進(jìn)行了材質(zhì)檢驗(yàn)、力學(xué)性能檢驗(yàn)，并對(duì)裂紋進(jìn)行了宏觀和微觀等檢測(cè)分析，以便采取相應(yīng)預(yù)防措施杜絕此類事故發(fā)生。
2 實(shí)驗(yàn)情況
2.1 宏觀檢驗(yàn)
現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果顯示，裂紋開裂方向大體沿著鼓底圓周方向；裂紋從內(nèi)底表面開始向縱深方向擴(kuò)展，形成穿透性裂縫；鼓底外表面裂紋處明顯看到黃色的銹跡，可以判斷轉(zhuǎn)鼓工作環(huán)境具有腐蝕性。用機(jī)械方法打開一處裂紋，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)斷口表面覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物或沉淀物，沒有明顯的均勻腐蝕現(xiàn)象，并且沒有明顯的塑性變形。從宏觀檢測(cè)初步判斷，此次事故為奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。
2.2 工作介質(zhì)檢驗(yàn)
對(duì)離心機(jī)加工的液體淀粉物料取樣，經(jīng)過檢驗(yàn)測(cè)得氯含量760mg/kg，pH值為6，呈弱酸性。以上結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006對(duì)照，氯化物含量超過限值250mg/L。液體物料中含有氧元素和硫酸根離子呈弱酸性（pH值小于7）。根據(jù)文獻(xiàn)，奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能是有針對(duì)性的，對(duì)鹽酸和硫酸的耐腐蝕能力不強(qiáng)，特別是對(duì)當(dāng)氯離子存在同時(shí)材料受到拉應(yīng)力作用時(shí)易于發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。根據(jù)以上的分析看出，此物料是引起設(shè)備應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)。
2.3 材質(zhì)分析
C（%） | Cr（%） | Ni（%） | S（%） | P（%） | Mn（%） | Si（%） | |
0Cr18Ni9 | ≤0.08 | 18-20 | 8-10.5 | ≤0.030 | ≤0.045 | ≤2 | ≤1 |
轉(zhuǎn)鼓鼓身 | 0.074 | 18.20 | 9.31 | 0.018 | 0.028 | 2.31 | 0.331 |
轉(zhuǎn)鼓鼓底 | 0.08 | 17.90 | 9.93 | 0.024 | 0.030 | 1.85 | 0.396 |
對(duì)轉(zhuǎn)鼓鼓身和鼓底無裂紋處取樣，使用德國牛津FMP型火花直讀光譜儀，分析其化學(xué)成分，從上表可以看出，制造轉(zhuǎn)鼓筒體的原材料的主要成分Cr、Ni的含量都達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，屬于標(biāo)準(zhǔn)304奧氏體不銹鋼。
2.4 力學(xué)性能分析
在鼓底正常處、裂紋附近處和轉(zhuǎn)鼓鼓身取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，304板材鼓身的抗拉強(qiáng)度為675MPa，洛氏硬度為81HRB；鼓底正常處和裂紋附近處抗拉強(qiáng)度分別為595MPa、580MPa，洛氏強(qiáng)度分別為78HRB、76HRB，均符合國家標(biāo)準(zhǔn)中0Cr18Ni9不銹鋼的力學(xué)性能要求。
2.5 金相分析
在鼓底正常處和裂紋處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，0Cr18Ni9鑄后經(jīng)1050℃固溶處理后，晶粒度粗大，并有少量碳化物和氧化物的細(xì)點(diǎn)狀?yuàn)A渣，呈分散分布，其金相組織為奧氏體。裂紋處金相組織同樣為奧氏體組織，正常處和裂紋處均存在一定量夾雜物，呈點(diǎn)狀分散分布。夾雜物一般是碳化物及雜質(zhì)，是在奧氏體不銹鋼鑄造過程中產(chǎn)生的，如果含量過多會(huì)對(duì)材料的性能造成影響，但是從材料的理化性能和金相圖來看，夾雜物不是造成材料裂紋的主要原因。裂紋屬典型的穿晶型裂紋，從表面開始向內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋尖端常出現(xiàn)分枝，在金相分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)微裂紋，裂紋伸展并曲折，經(jīng)常有貫穿點(diǎn)蝕的部位，裂紋符合應(yīng)力腐蝕裂紋的特征。
對(duì)筒身取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，可以明顯看出奧氏體轉(zhuǎn)化成為馬氏體，沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，但是晶粒的不同方位滑移的交點(diǎn)由于腐蝕而成的腐蝕坑已經(jīng)出現(xiàn)了。
3 事故原因分析
應(yīng)力腐蝕斷裂主要是受到拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用而產(chǎn)生脆性開裂現(xiàn)象，屬于低應(yīng)力破壞。應(yīng)力腐蝕破壞一般是氯離子引起的，在酸、堿的介質(zhì)中尤為嚴(yán)重，特別是溶液中氯離子和氧共存時(shí)引起的腐蝕尤為嚴(yán)重。從材料表面的銹跡、微觀腐蝕坑及含氯元素并且為弱酸性的物料可以判斷轉(zhuǎn)鼓的使用環(huán)境是腐蝕環(huán)境。筒體所受拉應(yīng)力主要為筒體在制造過程中的冷作加工（成型）和焊接造成的殘余應(yīng)力場(chǎng)中的拉應(yīng)力和主軸傳遞過來的扭矩。主軸傳來的扭矩，周向應(yīng)力較大，這也是周向裂紋擴(kuò)展的條件。在上述因素的共同作用下，使得轉(zhuǎn)鼓鼓底發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。
鼓身和鼓底同樣為304不銹鋼，但是鼓底應(yīng)力腐蝕程度對(duì)比鼓身更為嚴(yán)重。因?yàn)檗D(zhuǎn)鼓底的材料為304鑄鋼固溶狀態(tài)，鼓身為其軋材。由于鑄鋼的晶粒一般比軋材的晶粒粗大，而且鑄狀晶明顯，方向性強(qiáng)，化學(xué)成分偏析比軋材明顯，雜質(zhì)也更多，抗拉強(qiáng)度也比鋼板降低，所以鑄鋼件發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的臨界應(yīng)力也比鋼板小得多，因而更加容易引起應(yīng)力腐蝕。鑄鋼粗晶粒中形成的應(yīng)力腐蝕裂紋尖端一般都有大量錯(cuò)位并可形成明顯的滑移階梯，易于應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展。
根據(jù)筒身的制造工藝，圓筒身是采用厚度為35mm鋼材冷卷成型，如按筒身加工后內(nèi)徑為1600mm，毛坯極限尺寸內(nèi)徑為1584mm，外徑為1654mm。所以相對(duì)筒身毛坯中層的表面延長率，經(jīng)計(jì)算得到2.16%，按局部變形和角變形校正系數(shù)折算為5.2%。根據(jù)文獻(xiàn)介紹，冷加工程序能促使18-8型奧氏體不銹鋼發(fā)生向馬氏體轉(zhuǎn)變，而提高強(qiáng)度和硬度。雖然在金相檢查中沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，但是相織已從奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，并且塑性變形而造成的局部滑移，晶粒的不同方位滑移的交點(diǎn)由于腐蝕而成的腐蝕坑已經(jīng)出現(xiàn)了。這種轉(zhuǎn)變對(duì)抗應(yīng)力腐蝕是不利的。
奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕機(jī)理是應(yīng)力通過滑移使不銹鋼合金的鈍化膜破壞，造成裸露出的金屬與其周圍的連續(xù)鈍化膜形成微電池，金屬（陽極）被溶解形成微裂紋，裂紋又在腐蝕和應(yīng)力共同作用下擴(kuò)展傳播，導(dǎo)致斷裂。在裂紋擴(kuò)展中，不同的化學(xué)成分的金屬位錯(cuò)分布不同，裂紋擴(kuò)展速度有明顯差異，因而不同的鋼種隨合金成分的不同抗腐蝕斷裂的能力也大不相同。當(dāng)位錯(cuò)沿某一滑移面通過時(shí)，在表面上出現(xiàn)斷層，暴露在腐蝕介質(zhì)中的金屬，因無保護(hù)而快速溶解，滑移的交點(diǎn)較容易腐蝕而形成腐蝕坑。
4 預(yù)防措施
（1）嚴(yán)格控制離心機(jī)的使用環(huán)境，控制氯離子的含量。
（2）從金屬合金學(xué)的觀點(diǎn)分析，18-8型奧氏體不銹鋼對(duì)氯離子引起的應(yīng)力腐蝕極為敏感，這是該類不銹鋼產(chǎn)生事故的主要原因，建議采用抗應(yīng)力腐蝕（含氯離子介質(zhì)）性能更好的鋼種。如選擇用雙相不銹鋼或高鎳奧氏體鋼。
（3）在材料鑄造過程中，采用合適的工藝，減少鑄造缺陷，從而提高材料的力學(xué)性能及其耐腐蝕性。
