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        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法

        作者:鎮田機械 時間:2019-03-29 08:25
        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法 2.1試驗材料 試驗所用材料為316L奧氏體不銹鋼,其化學成分如表2-1所示。試驗材料 取自不銹鋼箱式儲罐封頭的一部分,經熱軋后旋壓而成,其橫截面顯 信息摘要:

        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法

        2.1試驗材料

        試驗所用材料為316L奧氏體不銹鋼,其化學成分如表2-1所示。試驗材料 取自不銹鋼箱式儲罐封頭的一部分,經熱軋后旋壓而成,其橫截面顯微組織如圖

        2- 1所示。從圖2-1中可以看出,其顯微組織主要由奧氏體和沿軋制方向存在長 條狀殘余5鐵素體組成。此儲罐在復雜的環境介質下服役近15年,對從儲罐封 頭上取下的試樣進行著色探傷發現,封頭部位在焊縫一側附近出現了大量的橫向 裂紋。

        根據著色探傷所顯示的裂紋位置,采用線切割的方法按圖2-2上標示出的位 置取樣。其中試樣分別包括母材試樣(在切取位置選擇時遠離了焊接及邊緣區, 避免其他加工對母材組織的影響)、焊縫及熱影響區試樣(包括了焊接熱影響區 在內的整個焊縫的一半,以便觀察分析的組織)以及裂紋試樣(包含垂直于焊縫 的橫向裂紋)。此外還取未經服役的316L奧氏體不銹鋼新母材作為對比,研宄 服役時間對封頭組織的影響。

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        圖2-1 316L奧氏體不銹鋼顯微組織

        表2-1 316L奧氏體不銹鋼的化學成分(wt.%)

        C Cr Ni Mo Mn Si S P

        <0.030 16.00-18.00 10.00-14.00 2.00-3.00 <2.00 <1.00 <0.030 <0.045

        母材試樣

        縫及熱影響區試樣

        裂紋試樣

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        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法

        圖2-2試樣取樣位置

        2.2試驗方法及設備

        2.2.1金相分析試驗

        為了觀察研宄裂紋形貌、顯微組織及各區域的化學成分,對前一節中所述試 樣分別進行光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射和顯微硬度分析,具體方 法及所用設備如下。

        1) 光學顯微鏡(OM)分析

        試驗設備:OLYMPUS GX51高級金相顯微鏡,放大倍數50x?1000x。 腐蝕劑:體積比為1: 1: 1的冰醋酸、濃鹽酸、濃硝酸混合液,腐蝕時間約

        10 s。

        首先按圖2-2所示位置切樣,切下來的試樣經過鑲樣機鑲樣后,依次在400#、 600#、800#、1000#和1200#的砂紙上打磨,然后將磨好的試樣拋光后觀察裂紋 形貌。之后用腐蝕劑腐蝕制成相應的金相試樣,進一步觀察分析其顯微組織和裂 紋萌生與擴展特征。

        2) 掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線能譜儀(EDS)分析 試驗設備:HITACHI S-3400N型掃描電子顯微鏡。

        腐蝕劑:體積比為1: 1: 1的冰醋酸、濃鹽酸、濃硝酸混合液,腐蝕時間約

        15 s。

        借助掃描電鏡進一步放大觀察金相試樣裂紋形貌和微觀組織結構,并用掃描 電鏡上配備的X射線能譜儀(EDS)進行相應的成分分析。

        3) X射線衍射儀(XRD)分析

        試驗設備:D8 Advanced型X射線衍射儀。

        利用X射線衍射儀對金相試樣以10〇-120?的掃描角、0.5〇/s的掃描速度、40mA 的電流和40kV的電壓進行掃描,進一步確定組織中的相組成,以分析研宄裂紋 產生的原因和機理。

        4) 顯微硬度分析

        試驗設備:432SVD型自動轉塔數顯維氏硬度計。

        硬度是材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力,是反映金屬材料綜合力學性能 的一個重要指標,可作為評定力學性能的參考。由于維氏硬度試驗時可方便的選 擇試驗力而不影響所測的硬度值,并且其測量范圍較寬。因此,為了研宄不同區 域的裂紋敏感性,對試樣進行維氏硬度測量。測量所用的試樣為顯微組織觀察后 的金相試樣,硬度測定時選擇試樣表面和橫截面熔合線附近區域不同位置進行測 量。

        2.2.2應力腐蝕試驗

        為了測試服役前后316L不銹鋼儲罐不同區域耐應力腐蝕性能的變化,根據 國標GB/T 15970.2-2000,對母材及焊接接頭進行應力腐蝕試驗。應力腐蝕試驗 的加載裝置和試樣的實物圖和示意圖分別如圖2-3和2-4所示。本試驗的具體加 載方式為四點彎曲,由于在四點彎曲中縱向的張應力在中間兩加載點間均勻分 布,試樣均勻受力的區域大,因而適用于測試焊接接頭的性能。

        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法

        (a)試樣及加載裝置圖

         

        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法

        (b)試驗過程

        圖2-3應力腐蝕試驗試樣及設備實物圖

         

        不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法

        圖2-4加載裝置和試樣示意圖

         

        將試樣加工成110 mmx15 mmx8 mm的長方體棒,加載裝置的具體尺寸參數 如表2-1所示。按照GB/T 15970.2-2000標準,將試樣裝卡在加載裝置上,并根 據試樣及加載裝置的尺寸和力學性能計算加載距離,即試樣外表面(承受拉伸載 荷的面)的最大變形量。其中試樣放置的位置應使試樣中點與加載裝置中點重合, 并保證試樣在外側支撐點之外有足夠的余量。

        表2-1加載裝置的具體尺寸參數

        拉應力o/MPa

        彈性模量

        試樣厚度

        跨度H/mm

        內外支撐點間

         

        E/GPa

        t/mm

         

        距 A/mm

        290

        206

        8

        100

        40

        對于前述四點彎曲試樣,最大載荷值應選定為316L不銹鋼屈服強度的90%, 中間兩加載點間的彈性載荷可表示為:

        12Ety3H2-4A2

        其中〇為最大拉應力;E為加載裝置材料的彈性模量;t為試樣厚度;y為試樣 外表面(即承受拉伸載荷的面)的最大變形量;H為跨距;A為內為支撐點之間 的距離。

        應力腐蝕試驗按照國家標準在155°C沸騰氯化鎂溶液中進行,根據氯化鎂溶 液沸點與其濃度之間的關系可知[54],試驗用氯化鎂濃度為45%。由于試驗試件 為四點彎曲的裝卡形式,在標準中推薦的試樣裝置尺寸不足以容納加載裝卡裝 置,因而本試驗換用開放式容器。采用藍天儀器生產的DU-65A型油浴槽,添加 GD5高溫硅油作為加熱介質。氯化鎂溶液使用去離子水與MgCL6H2O晶體配制。 溶液至于燒杯中進行加熱,溫度控制在155C±1°C。由于溶液一直處于沸騰狀態, 揮發作用較強,因此由于揮發而導致的溶液濃度變化需即使校準,每半小時觀察 一次溶液的溫度,一旦發生變化則補充去離子水,待溫度到達標準溫度后繼續試 驗。對于未經試驗的試樣在裝卡加載后用肉眼觀察,確定無裂紋后待用。當溶液 溫度符合標準后將試樣放入溶液中并開始計時,每隔1小時將試樣取出并觀察裂 紋萌生情況。當試樣加載段出現裂紋后將其取出并結束計時。

        2.2.3草酸電解浸蝕試驗

         

         
          不銹鋼儲罐罐壁應力腐蝕試驗材料及方法
        為了進一步研宄長時間服役對316L不銹鋼儲罐不同區域耐蝕性的影響,根 據國標GB/T 4334.1-2000,對經服役后焊接接頭及儲罐試樣進行電解浸蝕試驗, 試驗裝置如圖2-5。

        其中陰極為不銹鋼片,陽極為試樣,其尺寸為10 mmxio mm,表面經預磨 和拋光,以便進行腐蝕以及顯微組織觀察。腐蝕溶液為濃度為10%的草酸溶液。 試驗在電化學工作站Gmary Interface 1000中進行,具體步驟和試驗參數為:把 浸蝕試樣作為陽極,在容器中倒入10%草酸溶液,接通電流,電流密度為1A/cm2, 反應溫度為20°C,將浸蝕時間控制為90s。浸蝕完畢后切斷電流,將試樣取出, 用酒精洗凈后在光學顯微鏡下觀察浸蝕組織形態。

        石家莊鎮田輕工機械有限公司 Shijiazhuang Zhentian Light Industry Machinery Co.,Ltd
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