30Cr13不銹鋼循環(huán)水泵軸的失效原因

夏 標鞏建鳴

(1. 南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京 211816； 2. 極端承壓裝備設計與制造重點實驗室,南京 211816)

Cr13系列不銹鋼約含13%(質(zhì)量分數(shù)，下同)Cr，具有良好的耐蝕性，且價格低廉，在機械、航天、醫(yī)療、刀具等領域應用廣泛[1]，也是目前主要耐CO2腐蝕的金屬材料[2-3]。目前關于該材料在含CO2，H2S以及Cl-介質(zhì)條件下的失效及腐蝕行為的研究報道較多[4-6]，但其在某些特殊工況，如在含Br-介質(zhì)中的腐蝕失效行為，卻鮮見報道。

本工作采用直讀光譜儀、萬能材料試驗機、微觀硬度計、金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析儀等，對某30Cr13不銹鋼循環(huán)水泵軸在CO2，H2S以及Br-介質(zhì)條件下的斷裂行為進行了研究，分析斷裂原因，以期避免類似事故的發(fā)生，保證該類零件的長周期安全運行。

1 失效件概況

某廠煤制氣單元循環(huán)水泵軸在使用約1 a即發(fā)生斷裂。斷裂軸材質(zhì)為30Cr13(調(diào)質(zhì))，額定功率111 kW，轉(zhuǎn)速2 980 r/min，正常服役溫度約為76 ℃，正常工作環(huán)境為循環(huán)澄清水[含有0.003%(質(zhì)量分數(shù)，下同)CO2和0.000 5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)H2S]。

失效循環(huán)水泵軸斷裂位置位于安裝水泵葉片的軸頭上鍵槽根部，見圖1。由圖2可見：斷口較平坦，未見明顯塑性變形，在鍵槽根部附近可見疲勞斷裂的宏觀特征——海灘花樣；斷口及斷口周圍覆蓋有腐蝕產(chǎn)物。

2 理化檢驗

2.1 化學成分分析

從斷裂軸的斷口附近取樣，采用直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果見表1。由表1可知，斷裂軸的化學成分符合標準GB 1220-2007的要求。

2.2 力學性能測試

自斷裂軸沿軸向取樣加工成標準力學性能試驗用試樣，采用萬能材料試驗機和硬度計對其力學性能和硬度進行測試，由表2可見，斷裂軸的力學性能及硬度符合標準GB 1220-2007的要求。

圖1 斷裂軸的整體特征Fig. 1 Overall characteristics of the broken shaft

(a) 斷口形貌

(b) 斷口周圍腐蝕特征圖2 斷裂軸在斷裂位置的宏觀形貌Fig. 2 Macro morphology of the fractures axis at the fracture location： (a) fracture morphology； (b) corrosion characteristics around the fracture

表1 斷裂軸的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of the broken shaft (mass fraction) %

表2 斷裂軸的力學性能Tab. 2 Mechanical properties of the broken shaft

2.3 金相檢驗

自斷裂軸的斷口附近沿軸向和徑向分別取樣，制成金相試樣，進行微觀形貌觀察。由圖3可見：斷裂軸的顯微組織為回火索氏體，未見明顯異常，與熱處理狀態(tài)(調(diào)質(zhì))一致。

(a) 徑向試樣

(b) 軸向試樣圖3 斷裂軸的顯微組織Fig. 3 Microstructure of the broken shaft：(a) radial sample； (b) axial sample

2.4 掃描電鏡(SEM)觀察及能譜(EDS)分析

由圖4可見：斷口上大部分表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物呈“泥狀花樣”；“海灘花樣”區(qū)域的腐蝕產(chǎn)物上可見類似輪胎花樣特征，即裂紋在擴展過程中表現(xiàn)出疲勞的特征；在裂紋擴展區(qū)與終斷區(qū)交界附近，有準解理的斷裂特征，即腐蝕在斷裂過程中起到重要作用；終斷區(qū)表現(xiàn)為細小的韌窩特征。綜上所述，該斷裂軸的斷裂模式為腐蝕疲勞斷裂。

為查明腐蝕原因，對斷口附著的腐蝕產(chǎn)物進行了能譜(EDS)分析，結果顯示，腐蝕產(chǎn)物主要為氧化物，還含有較多的硫(S)和溴(Br)等元素，局部Br的質(zhì)量分數(shù)高達13.4%，S的質(zhì)量分數(shù)高達8.6%。

(a)斷口表面覆蓋腐蝕產(chǎn)物 (b) 類似輪胎花樣特征

(c) 類似輪胎花樣的局部放大圖 (d) 擴展區(qū)與終斷區(qū)交界處的準解理斷裂特征

(e) 終斷區(qū)的細小韌窩特征圖4 斷口微觀形貌Fig. 4 Micromorphology of the fracture： (a) corrosion products covering on fracture surface； (b) tire-like pattern features； (c) enlarged view of a tire-like pattern； (d) quasi-cleavage fault characteristics at the junction of the extension zone and the final fault zone; (e) characteristics of small dimples at the terminal zone

表3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果Tab. 3 EDS analysis results of corrosion products %

3 討論

該水泵結構示意如圖5所示。正常工作時，由于密封隔離，循環(huán)水不會滲入輪轂與軸及鍵的間隙中造成縫隙腐蝕。因此可以確定，斷裂前密封已經(jīng)失效，密封失效后，循環(huán)水滲入縫隙中。

圖5 循環(huán)水泵密封位置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of circulating water pump seal

腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結果及斷口形貌均表明，循環(huán)水中含有較多的H2S以及Br-，這加速了縫隙腐蝕的發(fā)生。縫隙處的腐蝕速率之所以較非縫隙位置的高得多，是由于在這些相對閉塞的縫隙中，溶液交換作用極弱，導致氧擴散受阻，在縫隙內(nèi)外造成氧濃差，形成“小陽極”和“大陰極”的氧濃差電池，且隨著腐蝕繼續(xù)進行，自催化酸化作用使得縫隙內(nèi)pH不斷降低，特別是含有Cl、Br等離子時，自催化酸化作用更加明顯，導致腐蝕加劇[7-9]。同時，縫隙腐蝕會在鍵槽表面形成腐蝕凹坑，降低材料抗疲勞性能。

縫隙腐蝕初期的反應式為見式(1)～(3)：

縫內(nèi)：

(1)

縫外：

(2)

自催化酸化：

(3)

研究表明[10]，30Cr13鋼在含有CO2和H2S的腐蝕介質(zhì)體系中，會發(fā)生腐蝕，且腐蝕速率在70 ℃時達到最大值，本工作中斷裂泵軸的使用溫度約為79 ℃，接近發(fā)生最大腐蝕速率的溫度。目前，關于Br-對金屬在含CO2和H2S腐蝕介質(zhì)體系中腐蝕行為的影響未見報道，但研究表明[5，10]，同為鹵族元素的Cl-對腐蝕具有促進作用，故理論上Br-也能夠起到促進作用。

泵軸在服役過程中承受交變載荷，在鍵槽等應力集中的位置常發(fā)生疲勞斷裂[11-13]，且在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中還會發(fā)生腐蝕疲勞斷裂[14-15]。本工作中，泵軸發(fā)斷裂的位置為鍵槽處，雖然斷口表面因覆蓋腐蝕產(chǎn)物，未觀察到疲勞條帶，但觀察到大量的類似輪胎花樣特征。該花樣是由于鑲嵌于疲勞微裂紋中的硬質(zhì)點在裂紋開合過程中反復滾壓斷口表面形成的，其原理見圖6。根據(jù)質(zhì)點形狀不同，花樣的形狀不同。另外，由于腐蝕介質(zhì)的作用，擴展區(qū)與最終斷裂區(qū)交界處觀察到準解理斷裂特征。

圖6 類似輪胎花樣的形成原理示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the formation of tire-like pattern

根據(jù)以上分析結果可以確定該軸發(fā)生了CO2，H2S以及Br-介質(zhì)條件下的腐蝕疲勞開裂。

4 結論

斷裂泵軸的材質(zhì)合格，機械性能合格，組織正常，使用過程中，泵軸在鍵槽位置發(fā)生了腐蝕疲勞斷裂，腐蝕介質(zhì)為含CO2，H2S以及Br-的循環(huán)水。正常情況下，循環(huán)水不會滲入軸上鍵槽內(nèi)，因此可以確定，在泵軸斷裂前密封已經(jīng)失效。另外，循環(huán)水受到了污染，引入大量Br-，加速了腐蝕疲勞的發(fā)生。