换热器接管锻件泄漏失效分析

2020-07-14翟金辉

压力容器 2020年6期

关键词：缩孔谱分析偏析

翟金辉

(航天晨光股份有限公司，南京 211100)

1 情况简介

某换热器用接管锻件(材料为12Cr5MoⅣ、规格∅360/240 mm×560 mm)在水压试验过程中，当水压加压到约39 MPa时,出现了部件接管渗水现象，失效部位如图1所示，故从该部位取样进行分析。

2 理化检验

2.1 化学分析

利用HW-2000型高频红外碳硫分析仪等设备在失效部位取样进行化学成分分析，结果如表1所示。其成分符合NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》[1]的要求。

图1 锻件失效部位

表1 锻件的化学成分 %

2.2 宏观金相

在失效部位切取金相试样，经机械研磨、抛光后在体式显微镜下进行观察，如图2所示。可以看出，试样沿周向有许多短裂纹，抛光态下呈曲折状，并沿径向穿孔。

图2 裂纹宏观形貌

2.3 金相组织

图3 裂纹附近显微组织 200×

图4 远离裂纹部位显微组织 200×

试样经硝酸酒精腐蚀后，在金相显微镜下观察，如图3所示。在裂纹中有氧化铁，裂纹两侧呈现大量的铁素体组织，属脱碳现象；裂纹缺陷呈条带状，由表向内伸展，且两侧及内部均密布夹杂物。远离裂纹部分显微组织如图4所示，可以看出有明显的魏氏组织形态。

2.4 显微硬度检查

对裂纹两侧50～70 μm脱碳层和远离裂纹200 μm处，在FM-700型显微硬度计上进行硬度测定，由图5，6可知，脱碳层区域的硬度值(124.47 HV0.05)要低于铁素体+粒状贝氏体的硬度值(126.83 HV0.05)。

图5 裂纹边缘脱碳层显微硬度

图6 远离裂纹部分显微硬度

2.5 扫描电镜检查

在FEl Quanta200型扫描电镜下对裂纹进行观察，如图7，8所示。多数情况下裂纹呈现不规则的皱折裂缝或空洞，在其上或附近伴有严重的疏松、夹杂物(夹渣)和成分偏析等。裂纹尾部圆钝，呈曲折形的沿晶裂纹形态。

图7 扫描电镜下的裂纹形貌 2 400×

图8 扫描电镜下的裂纹尾部形貌 1 000×

图9，10分别为点1、点2(如图7所示)夹杂物的X射线能谱图。由夹杂物的光学特性和能谱分析可知，点1的块状物为O-Cr-Fe的复杂夹杂物。中心黑色区域(点2)为Fe的氧化物(FeO，Fe2O3，Fe3O4)，一般情况下，三者共存。Fe3O4是钢加热时产生的氧化皮中的重要成分，在明场下，三者均为灰色，用4%硝酸酒精侵蚀后，FeO变暗，而其他两种不变,Fe2O3是六角晶系，在偏振光下为各向异性，Fe3O4为各向同性，可按其光学特性进行区分[2]。

图9 点1夹杂物能谱分析

图10 点2夹杂物能谱分析

3 结果与讨论

在NB/T 47008—2017中，对磷、硫含量有了更进一步的要求，相应的技术要求也高于ASME标准的技术要求[3-5]。为防止氢脆、回火脆性等严重损伤，对材料的纯净度、均质性和综合力学性能等提出了更为苛刻的高标准要求，从化学分析结果来看，磷、硫含量处于合格的边缘范围，对材料的性能有一定影响[6]。

裂纹的宏观和微观组织结构及能谱分析结果如下。

(1)金属在热锻时，各晶粒发生变形再结晶。在锻造温度降低到低于再结晶温度，则变形的晶粒不发生破碎，不能形成新的晶粒，就有可能发生开裂[7]。裂纹尖端部分圆钝，多呈曲折形的沿晶断裂形貌，且裂纹内部伴有大量夹杂物，由此可推断，裂纹不是在后期的机加工和水压试验中形成，而是锻件本身固有缺陷。

(2)裂纹呈现不规则的皱折裂缝或空洞，在其上或附近伴有严重的疏松、夹杂物(夹渣)和成分偏析等，属于残余缩孔的特征，这类缺陷多在大型钢锭浇注过程中产生[8]。裂缝附近是否存在严重夹杂物、疏松和化学成分偏析是区别残余缩孔和锻造内裂缝的主要差异之一。残余缩孔产生的原因是钢液在凝固时，由于产生凝固体积收缩和凝固后随温度下降所产生的固态收缩，这样钢液在锭模由外向里逐渐结晶时，由凝固收缩和固态收缩使锭模中心的钢液体积缩小而集中，钢锭上部中心形成缩孔；锻造时，如切除量不够，残留下来即形成残余缩孔。在大型锻件的制造过程中，残余缩孔的空洞经常引发锻造裂纹，属不允许存在的缺陷[9]。在NB/T 47008—2017中明确规定，锻造使用的钢锭头尾应有足够的切除量，以确保锻件无缩孔及严重偏析等缺陷[1]。

(3)由金相及能谱分析可知，裂纹内有大块氧化物夹杂，在裂纹附近区域并有脱碳现象，且有少量的魏氏组织形态，说明此系锻坯加热时，由于温度过高所造成的严重过烧，这种组织的存在对于锻件的塑性和韧性的影响较大[10-11]。

(4)12Cr5Mo钢属于珠光体型耐热钢，钢中含有Cr(4.0%～6.0%)和Mo(0.5%～0.6%)，从而具有较好的高温蠕变强度。铬在固溶体(α相和γ相)和碳化物相内的浓度不同，在相变时，需要重新分布。由于铬在铁内的扩散移动速度比较缓慢，同时也使碳的扩散速度减慢，因此降低了钢的临界冷却速度和缩短奥氏体分解的孕育期，使12Cr5Mo的奥氏体等温转变曲线中珠光体转变和贝氏体转变区完全分开，并使贝氏体转变区域向低温区域移动[12]。因此，12Cr5Mo奥氏体化空冷情况下，很容易得到贝氏体以至马氏体组织。12Cr5Mo钢常用的热处理工艺为900 ℃正火后、650 ℃回火或900 ℃油淬后、650 ℃回火，随着回火温度的升高，组织中的马氏体开始分解，逐步形成回火索氏体[13]。但从显微组织的形态来看，可以推断，锻后热处理工艺并未严格按此进行，属完全奥氏体化不充分。