低溫真空絕熱截止閥氣缸蓋裂紋問題分析

要磊磊 徐敏

1 問題概述

某低溫真空絕熱截止閥氣缸蓋靠近L 形彎處出現周向裂紋，裂紋長度在20cm左右，問題發生，氣缸蓋裂紋位置和形貌如圖1 所示。

2 問題定位

2.1 產品結構組成

低溫真空絕熱截止閥主要包括閥體、閥瓣、閥芯、執行機構等幾大部分，結構如圖2 所示由圖2 可知，氣缸蓋位于執行機構，與氣缸筒和氣缸支架一起構成氣動執行機構，構成上閥桿、軸承套、軸承的裝配基礎，共同組成手動執行機構。

2.2 故障樹分析

將氣缸蓋出現裂紋作為頂事件，建立故障樹如圖 4 所示。

2.2.1 氣缸蓋設計強度不足（X1）

如氣缸蓋強度不足，閥門氣動關閉狀態下，氣缸蓋承受 5MPa 內壓，可能產生裂紋。

根據計算，氣缸蓋設計滿足要求。

分別對低溫截止閥打開、關閉過程中氣缸蓋的受力情況進行仿真分析可知，氣缸蓋強度滿足要求，該底事件可以排除。

2.2.2 氣缸蓋材料缺陷

如氣缸蓋內存在氣孔、夾雜，則在長期使用過程中，在長期應力作用下出現缺陷擴展現象，出現表面裂紋。

經復查，氣缸蓋出現裂紋進行剖切時，發現筒體和法蘭母材狀態完好，無可見內部缺陷。

失效分析表明氣缸蓋材質符合0Cr18Ni9 設計要求。

此底事件可排除。

2.2.3 應力腐蝕（X3）

目視可見氣缸蓋外表面筒體一側焊縫熱影響區約 3/4 周范圍內存在多條縱向裂紋，長度約5～20mm 不等，局部區域裂紋存在明顯的分叉、向周向擴展，裂紋區域未見明顯的變形及異常機械損傷痕跡；法蘭盤所有安裝孔附近表面均可見明顯的銹蝕痕跡。

采用機械方法將最長的裂紋打開對斷口進行觀察，從裂紋區域截取部分試樣進行金相分析：裂紋沿晶擴展，主裂紋兩側可見較多沿晶分叉裂紋；浸蝕后觀察，焊縫組織未見異常，未見明顯的焊接缺陷，筒體及法蘭盤母材組織均為伴有孿晶的奧氏體組織，可見較多沿晶界分布的網狀碳化物。

氣缸蓋在使用一段時間后外表面發生銹蝕及開裂現象，裂紋均位于筒體一側焊縫熱影響區，大部分沿軸向擴展，部分區域裂紋存在分叉、向周向擴展，裂紋區域未見明顯變形及異常機械損傷痕跡。打開的裂紋斷口存在明顯的腐蝕痕跡，源區位于表面，為多源起裂，源區及擴展區微觀均呈沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，晶面附著較多基體的腐蝕產物，金相分析結果表明主裂紋兩側存在較多沿晶分叉裂紋，根據以上觀察結果判斷，氣缸蓋裂紋的開裂模式為延遲脆性開裂，機理為腐蝕及應力腐蝕。此底事件不可排除。

2.3 問題定位結論

綜上所述，低溫真空絕熱截止閥氣缸蓋上法蘭出現裂紋定位于：氣缸蓋發生腐蝕及應力腐蝕產生裂紋。

3 機理分析

3.1 應力腐蝕

應力腐蝕是金屬材料在應力（通常為拉應力）與特定介質共同作用下引起的破裂。這種應力和環境聯合作用可使金屬機械性能下降，比單個因素分別作用后再疊加起來嚴重。

應力腐蝕是一個自發過程，只要把金屬材料置于特定的腐蝕介質中，同時承受一定的應力，就可能產生應力腐蝕，是一種低應力下的脆性破壞。金屬構件發生應力腐蝕的主要影響因素可以分為以下三種：1）應力因素；2）特定腐蝕環境因素；3）材料具有應力腐蝕敏感性，應力腐蝕是上述三個基本條件的交集。

3.2 應力腐蝕機理

3.2.1 應力因素

經復查，上法蘭和氣缸蓋均采用拼焊結構，法蘭厚度為 30mm，采用厚壁K 形焊接坡口，單邊坡口深度14mm，需要焊接9 道成形，奧氏體不銹鋼焊縫局部加熱和冷卻的條件下，焊接接頭在冷卻過程中形成較大的拉伸應力即殘余應力。

焊接后未去除熱應力，氣缸蓋具備產生應力腐蝕環境中的應力因素。

3.2.2 腐蝕環境因素

腐蝕的影響因素眾多而復雜，主要取決于濕度、溫度、降水量、鹽霧、大氣成分等氣候條件的影響，以及大氣中污染物質的影響。大氣相對濕度越大，金屬表面越容易結露，表面上的電解液膜存在的時間也越長，腐蝕速率相應增加。很多金屬的臨界濕度在50%～80%之間，鋼鐵約是75%。當大氣濕度高于臨界濕度后，金屬表面便出現水膜或水珠，若是大氣中含有的有害雜質溶解于水膜、水珠，即成電解液，加劇腐蝕。大氣溫度與濕度兩者關聯影響金屬腐蝕。在其他條件相同時，平均氣溫高的地區，大氣腐蝕速率較大。在相對濕度低時，溫度對腐蝕的影響不太明顯，但在高于臨界濕度時，隨著氣溫升高，腐蝕量急劇增大。另外，如果大氣與金屬間有溫差，則在溫度低的金屬表面形成冷凝水、也會導致金屬生銹。

文昌年平均氣溫24.1℃，月平均氣溫最高值28.3℃；文昌發射場累年平均相對濕度為86%；月平均相對濕度最大值為89%，溫度為20℃±5℃時，濕度（95±3）%；屬于典型的高溫、高濕、高鹽霧海洋大氣環境，大量存在腐蝕性元素Cl 離子。

3.2.3 材料應力腐蝕敏感性

氣缸蓋采用筒體和法蘭盤的拼焊結構，拼焊形式為厚壁K 形坡口，雙面焊接，經復查工藝，焊接時電流較大，單面共9 道焊接，焊后未進行去應力熱處理。由于06Cr19Ni10 在焊接加熱、焊后自然冷卻過程中，焊縫及其附近區域可能長期處于不銹鋼的敏化溫區（600℃），固溶狀態的碳在晶界區域富集形成鉻的碳化物，成為網狀碳化物并沉淀析出，產生晶界區域的貧鉻現象，導致晶界區域的耐蝕性下降，失效分析結果表明由于熱處理工藝不當導致氣缸蓋在不銹鋼敏化溫區時間過長，焊縫及熱影響區存在大量網狀碳化物，滿足材料應力腐蝕敏感性條件。

4 結論

氣缸蓋裂紋問題為腐蝕及應力腐蝕，可據此改進后續設計。

參考文獻：

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