(高清版)GBT 40339-2021 金属和合金的腐蚀　服役中检出的应力腐蚀裂纹的重要性评估导则

GB/T40339—2021/ISO21601:2013金属和合金的腐蚀服役中检出的应力腐蚀裂纹的重要性评估导则Corrosionofmetalsandalloys—Guidelinesforassessingthesignificancesofstresscorrosioncracksdetectedinservice(ISO21601:2013,IDT)国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T40339—2021/ISO21601:2013 Ⅲ 12规范性引用文件 1 14裂纹性质和起源的表征 15服役状况和系统历史的确定 2 25.2服役环境 3 36.1冷加工 3 4 46.4显微组织取向 47Kisc与裂纹扩展速率的预测 57.1Kiscc 57.2低于Kiscc值情况下裂纹扩展速率的预测 87.3高于Kiscc情况下的裂纹扩展 87.4非扩展性裂纹 7.5概率问题 8结构完整性评估 9改进服役条件以减缓裂纹扩展 9.1改变温度 9.2减小运行应力 9.3改变环境/更严格的环境控制 ⅢGB/T40339—2021/ISO21601:2013本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件使用翻译法等同采用ISO21601:2013《金属和合金的腐蚀服役中检出的应力腐蚀裂纹的与本文件中规范性引用文件的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下：——GB/T15970.6—2007金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用(ISO7539-6:2003,IDT)——GB/T15970.9—2007金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用(ISO7539-9:2003,IDT)请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国钢铁工业协会提出。本文件由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。青岛四方机车车辆股份有限公司。1GB/T40339—2021/ISO21601:2013金属和合金的腐蚀服役中检出的应力腐蚀裂纹的重要性评估导则1范围对具体应用不做详解。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文本文件。ISO7539-6金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：恒载荷和恒位移下的预裂纹试样的制备和应用(Corrosionofmetalsandalloys—Stresscorrosiontesting—Part6:Preparationanduseofprecrackedspecimensfortestsunderconstantloadorconstantdisplacement)ISO7539-9金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第9部分：渐增式载荷或渐增式位移下预裂纹试样的制备和应用(Corrosionofmetalsandalloys—Stresscorrosiontesting—Part9:Preparationanduseofprecrackedspecimensfortestsunderrisingloadorrisingdisplacement)3原理者去除受损部分并重新焊接。然而有时修复的机会受限，需要保持体系正常运行至下一次停机以减少也可考虑允许裂纹存在。这种评估可与失效结果评估相结合，形成基于风险的检查方法。与裂纹短期或长期共存要面临的挑战是确定裂纹何时开始，建立其与服役条件包括瞬态的关系持续扩展或仅仅是对服役条件特殊波动的一点响应),评价力学驱动力，表征裂纹起源和扩展所涉及的当有爆炸性或灾难性失效的风险时，也可能需要进行破前漏(leakbeforebreak,LBB)评估。但是本文件的目的是为开发一种包含有裂纹扩展速率控制措施指南的损伤评估技术提供导则。4裂纹性质和起源的表征因为这些数值要用于有限元/断裂力学分析。这宜包括对裂纹位置及其与局部应力集中、焊接点、缝隙密度、裂纹之间的间隔和裂纹未来可能的连接。此外，宜对表面状态做均匀腐蚀或点蚀损伤方面的2GB/T40339—2021/ISO21601:2013评价。断层扫描获得裂纹形状和尺寸的更详细信息，只是这受限于可移动部件并且尺寸也可能受限。可通过形貌观察将裂纹表征为应力腐蚀裂纹，如有显著的裂纹分叉(尽管广泛的分叉可能是有益的，但可能难以做简单的应力分析并要确保裂纹的去除)。大多数情况下，这是根据先前的经验或其他可能的失效方在着某种程度的循环载荷或与瞬态温度变化相关的动态应变。很多情况下，可能无法区分应力腐蚀失效机理与氢脆机理。在主要关注裂纹扩展和剩余寿命评估的场合，只要用于评估的实验室数据与具体5服役状况和系统历史的确定变化的地方的应力高于设计者预想值。例如1975年Ferrybridge的低压涡轮轴发生失效的原因是机加工不良而导致中心轴应力消除槽的半径小于设计值。可采用多种方法原位表征服役中的残余应力，其中X射线衍射法(XRD)使用最普遍，然而其采样的材料厚度小于10μm,因此粗糙表面会造成误导性结果。对于一些相对好安装的组件也可使用原位是局部也需要修复。可移动部件有更多的测评空间，XRD和电化学抛光也能进行残余应力的深度剖析。对残余应力深度分布的非破坏性剖析需要将部件放到同步加速器辐射源所在的地方，这意味着只限于可拆卸部件。在无法测量时，根据位置或许可认为母材或焊接金属的残余应力数值是在有效屈服应力水平(考虑多轴应力状态)。然而该屈服应力需要根据材料的加工硬化程度和可能的局部变形程度来仔细评估。对于关键应用，可能需要采用实物模型用X射线衍射法评估残余应力和冷加工。焊后热与施加的压力成比例。由于应力腐蚀裂纹扩展速率在第二阶段与应力强度因子(K)无关，或受K值影响很小(见第7章),所以在大于Kscc(K₁sc:I型裂纹的应力腐蚀破裂临界应力强度因子)的情况下分定度。实上这种处理方式肯定过于简化，该领域仍需进一步研究。独立研究表明不宜忽视双轴或三轴应力3GB/T40339—2021/ISO21601:2013厂的启停引起的较大热瞬变会在重要时期引入显著的动态载荷，这也会增加破裂的风险(见下文)。由于普通结构用金属其氧化物的体积明显大于金属本身，所以不能忽略腐蚀产物在缝隙或正在扩展裂纹中楔入可能引起的附加载荷。实际上，仅被认识到几种重要的情况通常出现在发生显著缝隙腐蚀的地方。调查中的一个重要障碍是缺乏运行者对可能发生过的环境瞬变做出客观阐述。需要客观地评估，在这方面工厂运行者存在的侥幸心理会严重阻碍寻求实际解决方案。宜仔细检查操作记录来评价发生偏离的程度。担心温度的瞬时升高或服役环境的变化，在于其可将系统状态移到能激活应力腐蚀破裂(SCC)的少数据可用于预测偏离之后恢复到正常温度或化学条件下裂纹扩展的可能性及扩展速率。通常这些数据是有限的。实验室数据或在模拟服役环境中进行测试时需要给予考虑。传热条件下由隐藏返出/蒸发造成的浓缩过程可能比离子迁移的情况严重。可通过运行温度及局部过热情况下的杂质溶解度来估计理论上的浓腐蚀监测是评价服役环境侵蚀性的重要手段，在水化学瞬变或污染造成的运行条件波动时尤其有用。如果能证实这些瞬变可能导致应力腐蚀裂纹萌生和扩展，那么可根据损伤性周期的次数而不是简单的暴露时间，来建立一个更好的基础用于预测。这也可用来根据第一瞬变开始时或当涂层等其他保在制造期间或表面加工/打磨时，会在材料中引入冷加工。在很多实验室测试中，通常将试样湿磨至良好的表面光洁度，典型情况是Ra数值小于1μm,主要目的是保证数据的可重复性且避免表面冷4GB/T40339—2021/ISO21601:2013如果合金是亚稳态或热过程诱导的亚稳态，还可能有显微组织变化(例如贝氏体和未回火马氏体)。高位错密度和相关的短程扩散路径可以促进某些类型的应力腐蚀。因此，不注意这些细节就可能无法根据实验室测试来可靠地预测服役中的破裂。预测的不确定性在于一旦裂纹在此层(有残余应力和变形梯度)中萌生并扩展出冷加工区后，将在多大程度上继续扩展。虽然观察到有些服役场合中裂纹不扩展的情况，但也有证据表明如果冷加工深纹即使萌生后也会由于应力与裂纹尺寸的组合不足以达到持续扩展所需的应力强度因子临界值(见7.1)而停止扩展。如果应力梯度比较平缓，则可确保裂纹持续扩展。问题是冷加工程度和深度可假设射线检测评估已经确保焊接部位没有重要的物理缺陷，那么焊接段的裂纹扩展情况主要与残化学有影响。要关心实际情况可能会与焊接工艺评定情况有偏差，这涉及焊接件显微组织和微观化学变化及对和局部硬斑点处发生敏化。这些特性不易进行原位测量。原则上电化学动电位再活化法(EPR)可检测在高温下长时间运行的材料可能经历时效(热老化)引发的显微组织和微观化学变化，这通常会增加应力腐蚀敏感性。常见的实例包括铸造不锈钢发生铁素体的调幅分解及伴随的显著硬化、沉淀硬化实践上硬度高于400HV时肯定会发生破裂失效。另一个问题是奥氏体不锈钢(特别是C含量超过0.03%且未被Nb或Ti稳定化的材料)的热致敏化，它是由于在超长的服役或缓慢冷却时，温度在425℃的临界缺陷尺寸。辐照损伤可导致显著的硬化，可产生与上述时效(热老化)类似的效应。在经受中子辐照剂量高过每个原子一个位移的奥氏体不锈钢中观察到的另一个效应是晶界成分发生显著变化，原因是晶格缺陷迁移到晶界(以及位错和自由表面)处而淹没。常见奥氏体不锈钢中发生的最显著结果是晶界处宽度约为10nm极窄带中的铬浓度下降，这导致在氧化性的高温水中发生沿晶应力腐蚀破裂(ISCC)。有时称显微组织相对于主应力的取向能影响应力腐蚀破裂行为。例如在铝合金上所观察到的，在有拉长5GB/T40339—2021/ISO21601:2013的晶粒结构、纵向与横向之间性能有显著差异的情况下，这是一个典型事例。7Kiscc与裂纹扩展速率的预测7.1Kiscc显然，如果检测到的裂纹被视为应力腐蚀裂纹，那么其已经超过了某临界值。然而该数值可能是线弹性断裂力学(LEFM)并不适用的平整表面、腐蚀坑或浅缺陷处萌生裂纹的临界值(见图1)。在这些情况下，最好认为Kiscc是随后的裂纹持续扩展(或裂纹停止扩展)的临界值。Y——应力(对数坐标);4-——K=Kiscc;5——应力=osx。图1应力腐蚀破裂的双参数处理法示意图用于另一种条件。Kscc不宜视为材料的固有特性，因为其敏感地取决于环境和载荷条件，用于服役时宜考虑这些条件。此外，暴露于环境的材料可能存在某些实验室短期测试反映不出的长期性变化。其定义表示低于该值时就没有持续的裂纹扩展，或裂纹扩展要停止，这就涉及裂纹尺寸测量方法的分辨率和实验者的耐心。长裂纹的行为通常如图2所示，这里给出疲劳裂纹典型行为的比较。6GB/T40339—2021/ISO21601:2013a)疲劳裂纹扩展b)应力腐蚀裂纹扩展Y——Log(da/dN);Y1——Log(da/dt);X2—--Log(K);2——中间区域；3——△K=△K;4——初始区域；5———Kmax=Kic;6———K=Kiscc;8-—第Ⅱ阶段(Plateau,p);图2疲劳a)和应力腐蚀破裂b)的典型裂纹扩展行为示意图通常是在静载荷下进行Kisc测试，因而得到的结果常常不代表服役环境。结构很少承受纯静态载的值也可能显著降低，例如停机后的一个热瞬变或叠加有如果确定在静态载荷下获得的Kiscc值是合适的，那么可以使用ISO7539-6中描述的程序来测定。该文件阐述了使用疲劳预裂纹和断裂力学类型试样，在恒定载荷或恒定位移下测试裂纹萌生和裂纹停止扩展的方法。对于某些系统，该数值可能随测量方法而变化，例如增K实验或降K实验。由于疲劳预裂纹在某种程度上是人为制造的，可能影响到向应力腐蚀裂纹的转变，采用降K止裂的实验类型可能会更合适。ISO7539-9阐述了增加载荷或增加位移条件下Kisc的测试程序。加载速率或裂纹张开位移速率是关键参数，最好在一个速率范围内进行试验以保守地获得Kiscc的最低值或较低台阶值。这个数值可能低于在常规静载荷或固定位移而其他试验条件相同状况下测得的数值(图3)。7GB/T40339—2021/ISO21601:2013Y-—Kiscc(MPa·m¹/²);—---—静载荷测试。图3AISI4340钢在20℃人造海水中的Kiscc随载荷线位移速率的变化关系当存在明显的循环载荷分量时，Kiscc的概念变得不宜直接使用。图4给出示范。尽管图中有一个Y———Log(da/dN);3--—Kmax=K1s。图4腐蚀疲劳和应力腐蚀破裂的相互作用对于偶然承受巨大热瞬变的碳钢和低合金钢锅炉壳体和类似的压力容器，有一种已知的应力腐蚀8GB/T40339—2021/ISO21601:20137.2低于Kscc值情况下裂纹扩展速率的预测与天然气管道相关的图5通常用作表示这种裂纹扩展行为的示意图。图5碳酸氢盐溶液中管线钢应力腐蚀破裂的裂纹扩展速率然而这不宜一概而论，因为短裂纹的扩展速率及其随裂纹尺寸而演变的公开发表数据很少。短裂纹的扩展速率将取决于显微组织(其可能受表面制备的影响)、应力梯度和局部裂纹化学或电化学随裂纹深度的变化。7.3高于Kisc情况下的裂纹扩展对于许多体系，高于Kiscc时的裂纹扩展可能会很快。此时，裂纹容限理念可能仅在裂纹扩展被认二阶段裂纹扩展速率并不快(例如蒸汽涡轮盘钢),实验室裂纹扩展速率可用于确定检查间隔。图6～图9给出在这方面几个体系的裂纹扩展数据示例(注意这些图中裂纹扩展速率单位的差9GB/T40339—2021/ISO21601:2013X1钢种奥氏体化处理温度(1h)Kc(MPa·m¹/2)K₁scc(MPa·m¹/2)870℃油淬300℃62.7▲300-M870℃油淬470℃68.9870℃后在250℃等温淬火88.5标引序号说明：Y2———da/dt(inches/s);X2——K(ksi·in¹/2)。注：AISI4340和300-M,蒸馏水温度23℃,恒定屈服强度值1497MPa。图6高强度低合金钢在蒸馏水中的应力腐蚀裂纹扩展动力学GB/T40339—2021/ISO21601:2013X21Y2X1图7温度对蒸汽轮机转子钢中应力腐蚀裂纹扩展速率的影响GB/T40339—2021/ISO21601:2013X标引序号说明：X——应力强度因子K₁(MPa·m¹/2);●——奥氏体不锈钢在130℃的42%MgCl₂溶液中；V——奥氏体不锈钢在105℃的22%NaCl溶液中。图8304L不锈钢在MgCl₂溶液中的应力腐蚀裂纹扩展数据GB/T40339—2021/ISO21601:20137039-T64关关7050-T7387075-T7351X图9几种铝合金在3.5%NaCI溶液中的应力腐蚀破裂数据基于最严苛的上限法具有安全性和保险性的优势，但可导致不允许用特定降级机理去做出系统在有限时间内继续运行的判断，然而对应于平均行为不太严苛的假设可能指明系统实际上还有较大的安全余量。这是一个复杂的问题，概率方法和风险分析是基本的互补性工具。大于Kiscc时的裂纹扩展速率常用公式(1)表示：da/dt=C(K₁)"(Kiscc≤K≤K。)…………(1)C——常数；n—-—常数；针对具体应用已推导出相关的表达式，宜合理使用。7.4非扩展性裂纹服役中裂纹的观察宜始终保守地假定裂纹正在扩展。然而确实有些情况下，裂纹萌生、扩展一段时间后就停止了。当存在由于应力松弛、应力再分布或者应变速率降低引起的力学驱动力降低时，就可发生这种行为。一条裂纹扩展到抗力更强的材料(例如源自冷加工表面的裂纹扩展到内部)时，裂纹尖端GB/T40339—2021/ISO21601:2013处也可发生钝化而停止扩展。还有种情况是裂尖反应的传输控制动力学原因导致裂纹扩展逐渐减慢到停止。如果裂纹萌生是由于化学、温度或应力的瞬时偏离而引起，正常后裂纹就可能停止扩展，并且可能仅在发生新的偏离之后重新开始扩展。需要不断监测以确证裂纹停止扩展，但重要的是得出停止扩展的原因，然后预测其可能被重新激发的条件。7.5概率问题对于批量生产的产品，按比例会有较大数量的失效，失效频率分析能用于建立具体故障模式的概率。在建立这种概率关系方面，工程结构的主要困难是失效相对较少，并且来自服役行为的信息可能有限。实际上，有的失效可能是由不正常条件引发的一次性事件。但也有例外，如常规设计的沸水反应堆中的敏化不锈钢破裂和压水反应堆中的600型镍基合金破裂的众多失效事件就可以进行统计处理。在这种情况下，服役失效的分析通常基于拟合得到统计分布，例如指数、对数-正态、极值和Weibull分布。其中Weibull分布由于其灵活性变得越来越受欢迎，并且更适用于那些有大量潜在风险而失效发生较少的情况。失效统计用的Weibull累积概率表达式见公式(2):F(t)=1-exp{-[(t-to)/η]8} (2)F(t)—--—在时间t之后失效部件的分数；t₀——初始分布(其中t=to时，失效分数为零);η——特性寿命或尺度参数(理解为当F(t)=0.632时的时间);β——线性变换的形状参数。形状参数决定了失效风险是否随时间而增加或减少，以及失效时间的可变性。例如它能反映破裂速率随时间的变化。累积分布通常作为时间的函数表示为自然对数图，见公式(3): (3)F(t)——在时间t之后失效部件的分数；t₀——初始分布(其中t=to时，失效分数为零);β——线性变换的形状参数。8结构完整性评估因为裂纹扩展机制固有的复杂性，所以对裂纹正在扩展的设备分析需要专门技能、专业知识和经验。该分析涉及裂纹增长规律的断裂评估和数值积分的使用。步骤一：基于测量的检测值或基于反映了检测中不确定性的最大值，对初始裂纹尺寸进行断裂评估。如果证明部件是可接受的，即它完好地位于图10所示的失效评估图(FAD)边界内，比如裂纹深度与贯穿壁厚度相比较小，则宜考虑补救措施以防止裂纹的进一步扩展。补救措施可包括降低应力使K<Kiscc以确保裂纹停止扩展，或者改善环境或温度。GB/T40339—2021/ISO21601:2013Y——K,;X-——L;2——裂纹亚临界扩展(a1,a₂,aa:裂纹深度);4-—裂纹不扩展。图10失效评估图的性质和驱动它发展的服役条件。确定材料和服役环境是否存在裂纹扩展规律。若存在裂纹扩展规接受的最大裂纹尺寸。步骤五：确定当前裂纹尺寸(ao,co)扩展到与FAD或LBB判据相关的限定性裂纹尺寸所需的时间。可接受该部件继续运行的前提是：包括适当的服役余量后达到限定性裂纹尺寸的时间大于所需的测和停机检查观测到的裂纹扩展速率低于剩余寿命预测中使用的裂纹扩展速率；要避免负载不正常或当满足破前漏LBB判据可接受的条件。在下次检查时，建立实际裂纹扩展速率，并重新评估本节每个过程的新缺陷条件。或者，就修理或更换部件或实施其他有效的缓解措施。图11的流程图给出了评估GB/T40339—2021/ISO21601:2013启动启动EAC评估程序确定运行条件和载荷条件确定破裂原因扩展速率、韧性等性能确定缺陷位置的应力分布确定应力强度因子K否K₁<Kiscc确定裂纹扩展速率计算失效时间确定检查间隔是缺陷尺寸可接受?否缺陷不可接受，采取补救措施下一次检查前缺陷可接受是图11结构完整性评估流程图(EAC即环境促进破裂)9改进服役条件以减缓裂纹扩展9.1改变温度通常应力腐蚀裂纹扩展速率随温度的降低而降低。然而在扩展机制与氢脆相关的情况下，其行为GB/T40339—2021/ISO21601:20139.2减小运行应力一个相关且可行的方法是减小运行应力，如降低压力。同样有益的是在启动和关机期间控制温度一个关键目标是控制电极电位，以使电位处于对环境促进破裂敏感性最小的区域中。这可以通过控制氧化性物质的浓度或者施加电流来实现。由于应力腐蚀破裂的发生经常是由于偏离最佳运行条随着系统老化而显现。在为避免投资昂贵的新设备而延长设备的缺陷是有效的。GB/T40339—2021/ISO21601:2013[1]JackA.R.,&PatersonA.N.Crackingin500MWL.P.(LowPressure)RotorShafts.In:Thein-fluenceofenvironmentonfatigue,I.Mech.E.ConferencePublications,London,1977,pp.75-83[2]HewerdineS.AmmoniaStorageinspection.TheFertiliserSociety,Peterborough,UK,1991[3]AustenI.M.,WalkerE.F.in”ProceedingsofTheInfluenceoftheEnvironmentonFatigue”,London,1977,InstituteofMechanicalEngineers,London,1997,ppl-10[4]TurbullA.Testingandmodellingforpredictionofhydrogenembrittlement.In:Pro.ofAgeingStudiesandLifetimeExtensionofMaterials,(MallinsonL.G.ed).KluwerAcademic/PlenumPublishers,London,2000[5]UhligH.H.ed.ThecorrosionHandbook.JohnWiley&.Sons,Inc,NewYork,1948,557p.[6]ParkinsR.N.Realisticstresscorrosioncrackveloc