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不同冷加工成形方式对不锈钢波纹管应力腐蚀试验的影响

1应力腐蚀失效检测

304兄弟是一个性能良好、价格低廉的体旭兄弟。它是波纹管膨胀装置的一般材料，在石油、化工、能源等领域得到了广泛应用。在波纹管的腐蚀失效中,应力腐蚀失效是发生最多,也是最危险的破坏形式。因此,研究如何提高304材料波纹管的抗应力腐蚀性能,是涉及到生产安全和提高效率的重要问题。304奥氏体不锈钢波纹管,可以通过在成形后进行固溶处理的方式来改善其抗应力腐蚀的性能。本文参照GB4334.8—84应力腐蚀试验标准,通过对不同成形方式、不同公称直径的波纹管,进行固溶处理前后的应力腐蚀试验,得出了一些固溶处理和不同冷加工方式及奥氏体不锈钢波纹管抗应力腐蚀性能影响的规律,为提高奥氏体不锈钢波纹管的使用寿命提供了依据。

2测试件的转场温度及时间

试件是由304材料制成的奥氏体不锈钢波纹管,板材的化学成分见表1。

试验中8个试件标号见表2,各波纹管的成形参数见表3。

试验中采用的固溶处理工艺如下:空炉升温至1050℃,将需要固溶处理的试件装入炉内,升温至1050±20℃。当炉内温度不均匀超过20℃时,升温时间保证15～20min。在1050±20℃范围内保温10～12min,取出试件空冷。

为了保持加工后波纹管各部位的应力状态及金相组织,在应力腐蚀试验中,不采用由板材制成标准试样的方法,而是将波纹管原型(1#～8#)直接放入沸腾的42%MgCl2溶液中(实际测得溶液的pH值为5)。定期用15倍的放大镜观测其裂纹萌生及扩展情况。

3宏观裂纹与应力腐蚀

试验中观测到的经向和周向裂纹萌发时间见表4。

试验中,固溶处理过的4个试件(1#、3#、5#、7#),经过48h42%沸腾MgCl2溶液浸泡,均没有出现裂纹。而未进行固溶处理的4个试件(2#、4#、6#、8#),均在一定时间内萌发了应力腐蚀裂纹。这一方面是由于固溶处理改变了波纹管内因冷加工而形成的残余应力的应力状态;另一方面是由于奥氏体不锈钢在冷加工过程中会产生形变马氏体,图1、2反映了拉伸变形量及弯曲半径与马氏体相变量的关系,拉伸变形量越大、弯曲半径越小,马氏体相变量越大。小直径波纹管拉伸变形量大、弯曲半径小,故比大直径波纹管更易发生应力腐蚀。在固溶处理后,奥氏体中的形变马氏体得以消除,故波纹管的抗应力腐蚀性能有所提高。

对于试验中有应力腐蚀裂纹产生的试件,作者还观察到,不同加工方式和不同直径的不锈钢波纹管,在应力腐蚀试验中,产生的裂纹在方向、长度、数量和部位也有所不同。液压成形的波纹管,首先从内壁萌生出经向裂纹,且随试验时间的延长不断萌生新的经向裂纹,经向裂纹萌生后,并不向波峰和波侧方向做大的扩展,而是在裂纹的两端分叉,裂纹间连成网状;周向裂纹的萌生落后于经向裂纹,但是在形成后,扩展较快,随着试验时间的延长,在同一波峰上同一侧的周向裂纹,最终会连成一条带有数个分叉的长裂纹,导致波纹管在此处沿周向裂纹断开。不管裂纹是经向还是周向,其萌生及扩展部位只局限在波峰两侧约45°的部位(如图3～5所示)。滚压成形的波纹管,经向裂纹和周向裂纹出现的次序不定,裂纹从试件外部萌生,经向裂纹产生于波侧中部,数量较液压成形的波纹管少,周向裂纹直接萌生于波峰顶部(如图6～8所示),且不同经向或周向裂纹扩展速度不同。

对以上观测到的结果,作者认为,主要还是应该从应力状态和材料组织两个方面来解释。区别于其它腐蚀形式,应力腐蚀中应力的作用是非常关键的。波纹管中的应力状态决定了裂纹萌发的部位。从不同成形方式加工的波纹管上沿纵向切割2cm宽的样条(见图9、10),由切割样条的弯曲方向可知,液压成形的波纹管在波峰和波谷处轴线方向的应力状态均为外侧受压,内侧受拉;而滚压成形的波纹管在波峰和波谷处轴线方向的应力状态正好相反,均为外侧受拉,内侧受压。对于从固溶处理过的试件上切割下的样条(见图11),切割后其形状基本没有变化,说明在固溶处理后,波纹管中残余应力的应力状态发生了变化。所以液压成形的试件裂纹首先萌发于试件内侧,滚压成形的试件裂纹则首先萌发于试件外侧,而固溶处理过的试件则在48h内没有出现裂纹。

应力的存在是发生应力腐蚀的必要条件,然而对于未经固溶处理的试件(2#、4#、6#、8#试件),在其波谷部位也有拉应力存在,但在试验中,在波峰处出现宏观裂纹之后,波谷处却没有观察到应力腐蚀裂纹。分析其原因,是由于波峰、波谷处在加工过程中发生了不同程度的变形,导致材料在波峰和波谷处的金相组织有较大差异。图12～16反映了各试件波峰和波谷处的形变马氏体的含量,从中可以看出,未固溶处理过的试件,在波峰和波谷处马氏体含量相差较大,而固溶处理过的试件则整体含量均很小。

众所周知,奥氏体不锈钢是一种亚稳定钢,它在冷加工变形中会产生形变马氏体,而形变马氏体的