FV520B葉輪葉片在H2S-CO2環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展研究.pdf

1、FV520B鋼是一種企業(yè)常用的耐酸、耐熱不銹鋼，在傳統(tǒng)Cr13型馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)良改進(jìn)，通過添加Cu、Nb、Mo等強(qiáng)化合金元素，使FV520B鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性都獲得了不同程度的改善和提高。FV520B鋼目前廣泛應(yīng)用于軸、葉片和轉(zhuǎn)子等較高要求零件的制造，也是制造大型離心壓縮機(jī)葉輪的核心材料。考慮到其實(shí)際服役環(huán)境中存在一定的腐蝕介質(zhì)，容易發(fā)生腐蝕破壞，影響設(shè)備的使用和壽命，尤其是具有極大危險(xiǎn)性的應(yīng)力腐蝕開裂，所以，其耐腐蝕性

2、能的增強(qiáng)就顯得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)FV520B不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂研究相對(duì)較少，國(guó)家和企業(yè)急需相關(guān)的研究數(shù)據(jù)來對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和防護(hù)。本文以FV520B不銹鋼為研究對(duì)象，采用改進(jìn)型的楔形張開加載（英文名為Wedge-openLoading，縮寫為WOL）預(yù)制裂紋試驗(yàn)，結(jié)合有限元模擬仿真對(duì)FV520B材料的應(yīng)力腐蝕開裂行為進(jìn)行探究。通過分析介質(zhì)環(huán)境因素對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂的影響規(guī)律、模擬裂紋擴(kuò)展過程和含裂紋缺陷的葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況，實(shí)現(xiàn)FV5

3、20B材料應(yīng)力腐蝕開裂行為的綜合評(píng)價(jià)。
　　首先，采用Abaqus軟件模擬FV520B材料的預(yù)制裂紋擴(kuò)展過程。通過靜態(tài)裂紋擴(kuò)展模擬發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力和應(yīng)變的最大值均位于預(yù)制裂紋尖端附近區(qū)域，沿預(yù)制裂紋方向呈蝶形對(duì)稱分布。Mises應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度因子KI均隨模擬擴(kuò)展步的增加呈線性增大，兩者在第11擴(kuò)展步時(shí)達(dá)到裂紋起裂擴(kuò)展的閾值。通過動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展模擬發(fā)現(xiàn)，裂紋的擴(kuò)展路徑整體垂直于載荷加載方向，最大Mises應(yīng)力位于裂紋尖端，誘發(fā)裂紋擴(kuò)展的臨界

4、應(yīng)力范圍為23.3～43.4MPa。應(yīng)力和應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)幾乎相同，最大值均位于第8擴(kuò)展步，即裂紋起裂點(diǎn)，之后隨裂紋擴(kuò)展，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈波浪形變化，直至模型斷裂。
　　其次，模擬工況下葉輪的實(shí)際服役環(huán)境，通過WOL預(yù)制裂紋試驗(yàn)、SEM電鏡掃描和EDS能譜綜合分析了FV520B材料的應(yīng)力腐蝕開裂行為。對(duì)預(yù)制裂紋試樣進(jìn)行微、宏觀分析，發(fā)現(xiàn)裂紋尖端附近有大量的點(diǎn)蝕坑和微裂紋分布，靠近裂紋邊緣處有大片典型的解理臺(tái)階和解理平面，存在明顯

5、的河流狀或扇形花樣，符合典型的脆性斷裂特征。
　　最后，采用Fluent軟件模擬含裂紋缺陷的葉輪在服役環(huán)境下的內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)沿流體流動(dòng)方向，流體的壓力、速度和溫度均不斷增大，最大值均出現(xiàn)在葉輪出口邊緣附近。裂紋區(qū)域的最大壓力和速度均分布在裂紋中段入口及后緣附近，在垂直于裂紋中段入口方向的張開力、裂紋后緣根部尖端的腐蝕擴(kuò)展和葉片受熱變形的三重作用下促進(jìn)了缺陷裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。
　　本課題研究通過斷裂力學(xué)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相