17-4PH不銹鋼閥桿的斷裂原因

張忠偉,左敦桂,賴云亭

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

17-4PH不銹鋼是一種沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，碳含量低、鉻含量高且含有銅、鈮等元素，經固溶時效處理后，具有高強度、高硬度的特點，在大氣及稀釋酸或鹽環境中都具有良好的耐蝕性，多用于制造既要求耐弱酸、堿、鹽腐蝕，又要求高強度的部件[1]。

17-4PH不銹鋼本身具有一定的耐蝕性，但在一些特定介質中，尤其在含有Cl-、S2-的酸性介質中仍然會發生非常嚴重的腐蝕。此外，17-4PH不銹鋼在服役過程中還會出現力學性能和耐蝕性下降的情況[2-3]。

本工作針對某電廠核級手動截止閥閥桿斷裂現象進行綜合性能分析研究，以找出斷裂的原因，保障機組后續安全穩定運行。

1 試驗

閥桿斷裂的截止閥為手動截止閥，閥結構和部件材料如圖1所示，其中斷裂閥桿材質為X6CrNiCu17-04鋼。截止閥約運行了6 a，期間未進行任何維修。閥門平時處于常開模式，僅在檢修時關閉，內部介質為海水。

針對該斷裂閥桿，分別進行宏觀形貌觀察、化學成分分析、金相檢驗、力學性能測試等，取樣位置如圖2所示。

對閥桿的斷裂位置、閥桿表面、斷口等進行宏觀形貌觀察并拍照記錄。

對斷裂閥桿取樣進行化學成分分析，測試標準為GB/T 11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》。

試樣經鑲嵌、預磨、拋光并用溶液浸蝕后，進行顯微組織觀察。

圖1 截止閥的結構及其部件的材料單Fig. 1 The structure of the globe valve and the list of materials for each component

圖2 失效閥桿的取樣位置Fig. 2 Location of the failed stem sampling

室溫拉伸試驗采用φ5 mm比例拉伸試棒，試驗標準為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》。

在斷裂閥桿橫截面進行布氏硬度試驗，試驗條件如下：負荷187.5 kgf，保載時間10 s。測試標準為GB/T 231.1-2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》。

對閥桿斷裂斷口正面和側面、閥桿表面分別進行微觀形貌觀察，測試設備為TESCAN VEGA TS5136XM掃描電鏡，測試標準為JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》。

2 結果與討論

2.1 宏觀形貌

送檢閥桿整體保持豎直，未見明顯彎曲變形。斷口位于閥桿下部直徑變化部位，見圖2。斷口附近未見明顯宏觀塑性變形，詳見圖3。斷口表面已普遍發生腐蝕，局部呈現細小的蜂窩狀；將閥瓣從閥桿上取下后，發現斷口下部閥桿表面沿圓周方向上散布較多點腐蝕坑，見圖3 (c)黃虛線方框部位，斷口上部閥桿表面存在少量點蝕坑；閥桿底部存在較為嚴重的點蝕現象，見圖3(d)。

2.2 化學成分

由表1可見：腐蝕閥桿的化學成分滿足規范RCC-M M5110對X6CrNiCu17-04鋼的成分要求。

2.3 金相檢驗

由圖4～6可見：閥桿基體組織為回火馬氏體+較多沉淀析出相，部分析出相相互聚集呈線狀，晶界存在明顯的粗化現象。斷口處存在較為嚴重的腐蝕現象，主裂紋和二次裂紋均為沿晶裂紋，內部腐蝕坑已連接在一起。

2.4 力學性能

由表2可見：試樣的抗拉強度和屈服強度滿足標準要求，但斷后伸長率和斷面收縮率低于標準RCCM M5110對X6CrNiCu17-04的要求。

由表3可見：試樣的硬度較均勻，平均值為381 HB，滿足標準RCCM M5110對X6CrNiCu17-04的硬度要求。

(a) 上部 (b) 下部 (c) 表面 (d) 底部圖3 閥桿的宏觀形貌Fig. 3 Macroscopic appearance of valve stem： (a) upper location, (b) lower location, (c) surface location, (d) bottom location

表1 腐蝕閥桿的化學成分Tab. 1 Chemical composition of corroded valve stem %

(a) 橫截面 (b) 縱截面圖4 閥桿母材的顯微組織Fig. 4 Microstructure of valve stem base material： (a) cross section, (b) longitudinal section

(a) 宏觀形貌 (b) 位置A (c) 位置B

(d) 位置C (e) 位置D圖5 閥桿斷口縱截面的顯微組織Fig. 5 Microstructure of longitudinal section of valve stem fracture: (a) Macro morphology, (b) location A, (c) location B, (d) location C, (e) location D

2.5 SEM觀察和能譜分析

由圖7和8可見：斷口表面覆蓋了一層明顯的腐蝕產物，邊緣及中間位置均為典型的沿晶破壞特征；緊鄰斷口邊緣處和閥桿表面均存在明顯的點腐蝕坑。

3 失效原因

從形貌觀察結果可知，閥桿表面散布著較多的點腐蝕坑，剖開這些蝕坑可見蝕坑很深，并彼此有連接現象。在蝕坑前沿，微觀上腐蝕以沿晶形式向基體深入。特別是斷口附近區域，存在著同斷口方向相同的晶間腐蝕特征。這表明閥桿斷裂是點蝕和晶間腐蝕的共同作用造成的。

(a) 宏觀形象 (b) 位置A (c) 位置B (d) 位置C 圖6 閥桿點蝕坑處的顯微組織Fig. 6 Microstructure of valve stem pitting: (a) macro morphology; (b)location A; (c) location B; (d) location C

表2 試樣的室溫拉伸和沖擊試驗結果Tab. 2 Room temperature tensile and impact test results of specimens

表3 試樣的硬度測試結果Tab. 3 Hardness test results of specimens

(a) 邊緣位置 (b) 中間位置 (c) 側面 圖7 閥桿斷口不同位置的微觀形貌Fig. 7 Micromorphology of valve stem fracture at different positions： (a) edge of fracture; (b) middle of fracture; (c) side of fracture

圖8 閥桿表面的SEM形貌Fig. 8 SEM morphology on the surface of valve stem

17-4PH(X6CrNiCu17-04)是一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，通過在馬氏體基體上析出富銅的ε相而強化。其特點是具有高屈強比，強韌性配合好，缺點是鉻含量低，僅耐弱腐蝕介質的腐蝕，在海水等中強腐蝕介質中的耐蝕性不高，容易發生點蝕。

理化分析結果表明，斷裂閥桿的化學成分和硬度滿足標準要求；顯微組織為回火馬氏體基體+較多沉淀析出相，部分析出相相互聚集成線狀，晶界存在明顯的粗化現象；硬度和強度指標滿足標準中的A級指標要求，但室溫塑性明顯低于標準A級指標要求，甚至低于B級指標要求。晶界存在明顯的粗化現象，可能與熱處理工藝不當有關。當晶界Cr23C6沉淀速度快于Cr元素的擴散速度，補給晶界區的Cr量不足以抵償消耗的Cr量時，一旦貧鉻區的Cr量低到一定程度，就會使材料出現晶間腐蝕傾向。上述過程將導致材料的塑韌性和耐蝕性降低，并易引發晶間腐蝕。

4 結論及建議

在點蝕和晶間腐蝕的共同作用下，閥桿最終發生了斷裂失效。究其原因是17-4PH(X6CrNiCu17-04)鋼的耐海水腐蝕性不高，加之熱處理工藝不當導致晶界貧Cr引發晶間腐蝕，進一步惡化了材料的耐海水腐蝕性。將17-4PH(X6CrNiCu17-04)作為閥桿材料直接暴露在海水環境中，即使閥桿材料的制造質量合格，也難免在使用一段時間后不發生點腐蝕，且隨著蝕坑不斷深入，最終也會導致閥桿斷裂失效。因此，建議優化閥桿選材，將閥桿材料更換為更耐海水腐蝕的材料，比如超級雙相不銹鋼等。在替代過程中，應注意確保新材料的制造質量滿足相關標準要求。