壓力容器用304不銹鋼封頭直邊段開裂失效分析

翟金輝，鮑彬彬，徐敏霞，胡燕華

(航天晨光股份有限公司檢測實驗中心，江蘇南京 211200)

0 引言

某制冷壓力容器在2010年6月制造完畢，經(jīng)各種試驗、檢驗合格后交付用戶。用戶在現(xiàn)場露天放置一年后，2011年7月初開始試壓檢測、準備使用，在做水壓試驗時發(fā)現(xiàn)上封頭直邊段靠近環(huán)焊縫位置，有線狀泄漏和點狀缺陷現(xiàn)象。

該容器屬半封閉夾套結構，上封頭裸露在大氣環(huán)境中，筒體及下封頭密閉在碳鋼保護套內(nèi)。封頭和筒體材料均為ASTM A240—A304，封頭尺寸:DN 2800 mm×20 mm，封頭由無錫某封頭廠提供，旋壓成型，出廠時質(zhì)保書顯示為合格產(chǎn)品。

1 失效部位的無損檢測

針對滲水部位，再次進行滲透檢測和射線檢測。在封頭直邊段部位發(fā)現(xiàn)多處裂紋，PT結果部分裂紋見圖1，RT結果部分裂紋見圖2。

2 失效部位的理化檢驗

2.1 裂紋的宏觀端口形貌

圖1 封頭外表面PT檢測裂紋

圖2 封頭裂紋部位RT檢測結果

在封頭失效部位切割取樣后，貫穿部位的裂紋斷口形貌如圖3所示。裂紋宏觀形貌為平直裂紋，開裂方向垂直于焊縫，裂紋較深，且有多條裂紋已從厚度方向貫穿。沿裂紋走向用機械方式可輕易將其剖開，從斷口宏觀形貌可以看出，斷口無明顯塑性變形。斷口幾何形態(tài)呈樹根形放射狀，裂紋從封頭外表面起始擴展至整個壁厚。整個斷口表面覆蓋暗褐色的氧化物。

圖3 封頭裂紋斷口宏觀形貌

2.2 化學成分分析

在封頭直邊段切取試塊，在德國AWS光譜分析儀上進行化學成分分析，分析結果及標準要求見表1。由數(shù)據(jù)可知，封頭的化學成分符合ASTM A240—2004 標準要求［1］。

2.3 力學性能試驗

在封頭直邊段部位取R4標準試樣，拉伸試驗按照GB228—2002《金屬拉伸試驗方法》在CHT4605萬能材料試驗機上進行，試驗結果見表2。從試驗數(shù)據(jù)可看出，封頭的力學性能符合ASTM A240—2004標準規(guī)定。

表1 封頭直邊段部位化學成分分析結果 %

表2 封頭力學性能試驗結果

2.4 金相組織分析

2.4.1 裂紋起裂點確定

由圖1，2可看出，裂紋起裂點似乎從焊縫開始，而試樣經(jīng)磨制、拋光、王水腐蝕后，見圖4。

圖4 金相腐蝕后宏觀試樣

裂紋均起始于焊縫邊緣，而非焊縫，裂紋逐漸向母材擴展。絕大多數(shù)裂紋形貌均表現(xiàn)為:靠近焊縫部位的裂紋開口較大一些，向母材方向裂紋逐漸變細。同時從金相試樣上也可以看出:裂紋的起始點位置的顏色較母材深一些，為方便分析，定義為母材2區(qū);母材2區(qū)與焊縫之間的白色條帶區(qū)定義為母材1區(qū)，遠離焊縫部位為母材3區(qū)。

2.4.2 各區(qū)金相組織分析

在金相顯微鏡40倍下觀察，如圖5所示，可以清楚的看出，裂紋起裂點處于母材上，離焊縫尚有一段距離。

圖5 外表面裂紋起始點組織形貌

離裂紋部位保持一段距離，采用等離子切割機切取，然后再用線切割方式切成所要檢測樣品的大小。經(jīng)金相制樣拋光后，裂紋呈樹枝狀。在金相顯微鏡200倍下觀察，如圖6所示，焊縫區(qū)均為鑄態(tài)組織，鐵素體呈游離態(tài)或半連續(xù)溝狀組織。圖7示出靠近焊縫的熱影響區(qū)，在金相顯微鏡下可看到，該區(qū)域為純奧氏體組織，奧氏體呈不規(guī)則多邊形狀。

圖6 焊縫區(qū)金相組織 200×

圖7 母材1區(qū)金相組織 100×

圖8示出遠離焊縫的奧氏體組織，晶界上分布有析出物。圖9示出母材2區(qū)，即裂紋起始位置，可以清楚地看出，金相組織均為奧氏體+變形過程中誘發(fā)相變而形成的板條狀馬氏體相。圖10示出裂紋末端金相組織及形貌，裂紋分叉，沿晶界開裂擴展。

2.5 掃描電鏡觀察分析

圖8 母材3區(qū)奧氏體晶界析出物 400×

圖9 裂紋起始位置金相組織 200×

圖10 裂紋末端分叉狀沿晶裂紋形貌 200×

在FEI Quanta200型掃描電子顯微鏡下觀察，其斷口形貌均為沿晶斷口，并在斷口面觀察到“泥紋花樣”，見圖11，12。斷口表面呈現(xiàn)出“泥紋花樣”，是奧氏體不銹鋼在含有Cl－介質(zhì)中發(fā)生應力腐蝕后的特征形貌［2］。

圖11 沿晶斷口形貌

圖12 “泥紋花樣”腐蝕產(chǎn)物形貌

2.6 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

經(jīng)美國EDAX能譜分析儀檢測，斷口表面“泥紋花樣”中除合金元素(Si，Cr，F(xiàn)e，Ni)以外，還含有 O，S，Cl，Ca 等元素，見圖 13。其中 Cl，S元素在潮濕環(huán)境中電離出Cl－，SO2－4，致使奧氏體不銹鋼發(fā)生應力腐蝕開裂。

圖13 沿晶斷口面上“泥紋花樣”腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果(斷口上白色方框為能譜分析位置)

3 失效原因分析

3.1 裂紋起裂點

由圖4，5可以看出，裂紋均起始于靠近環(huán)焊縫母材上，而非焊縫裂紋。裂紋起始點的金相組織為奧氏體+變形過程中誘發(fā)相變而形成的板條狀馬氏體。貫穿的裂紋特征:封頭外壁裂紋開口大，內(nèi)壁裂紋開口小;未貫穿的裂紋，經(jīng)PT檢測，基本上處于外表面，由此可見，封頭上裂紋是由外壁向內(nèi)擴展的。由圖3的宏觀斷口裂紋走向也可以清楚的看出裂紋從外向內(nèi)的擴展路徑。

3.2 應力分析

封頭材料化學成分和力學性能均符合ASTM A240標準中規(guī)定技術要求，說明原材料本身質(zhì)量是合格的。封頭采用冷旋壓成型。在冷旋壓封頭過程中，壓制力的反復作用致使發(fā)生冷作硬化現(xiàn)象，產(chǎn)生位錯的堆積和金相組織的變化。304不銹鋼屬單相奧氏體組織，從熔化狀態(tài)到常溫一般是不發(fā)生相變的，但在亞穩(wěn)定態(tài)時加工會發(fā)生馬氏體相變，并主要由于馬氏體相變引起加工硬化，使得應力提高。從圖9中也可以看出，在顯微組織中存在著一定量的形變誘發(fā)馬氏體相。裂紋起始點均在誘發(fā)相變而形成的板條狀馬氏體組織較為密集的部位，在此部位由奧氏體與板條狀馬氏體兩相組織并存，形成較大的組織內(nèi)應力，這種組織內(nèi)應力多為拉應力［3］。

除封頭壓制時產(chǎn)生的應力外，制造過程中的裝配和焊接殘余應力也對裂紋的形成和擴展產(chǎn)生一定的影響［4－6］。

3.3 腐蝕環(huán)境

圖11，12顯示，斷口為沿晶斷口和“泥紋花樣”腐蝕形貌，此為奧氏體不銹鋼發(fā)生應力腐蝕的特征形貌。圖13的能譜分析結果表明，斷口上附著的“泥紋花樣”腐蝕形貌中含有S，Cl元素，也是致使產(chǎn)生應力腐蝕重要條件之一［7－8］。應力腐蝕的裂紋擴展途徑及斷口微觀形貌依造成應力腐蝕的介質(zhì)性質(zhì)而不盡相同。一般認為，Cl－濃度越低，出現(xiàn)沿晶應力腐蝕開裂的概率越大［9］。當應力較小，腐蝕介質(zhì)較弱時，應力腐蝕裂紋多呈沿晶擴展;當腐蝕介質(zhì)較強、應力較大時，應力腐蝕裂紋通常為穿晶擴展。至于沿晶、穿晶或混合斷口的形成，還跟一定的介質(zhì)、溫度、應力下某種材料的腐蝕斷口的形態(tài)有關［10－11］。

對于S，Cl元素的來源，容器分上、下兩個封頭，下封頭密閉在碳鋼套內(nèi)，經(jīng)PT檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋。而上封頭裸露在生產(chǎn)區(qū)環(huán)境中一年左右。如果環(huán)境中存在S，Cl元素，隨著雨季中的雨水或酸雨淋在上封頭表面，隨后雨水風干。一年中依次循環(huán)，S，Cl元素與濕潤環(huán)境中的H2O相互作用形成含有Cl－或連多硫酸 H2SXO6(X=3，4或5)腐蝕介質(zhì)，在上封頭外表面邊緣組織變化部位(拉應力)優(yōu)先開始發(fā)生微裂紋，隨著時間的推移，裂紋逐漸擴展向板材截面和縱向擴展，直至穿過板材整個截面發(fā)生泄漏。有資料顯示，304不銹鋼在中性溶液中發(fā)生應力腐蝕的臨界Cl－濃度為90 mg/L［12］。

此次裂紋開裂機理為典型的Cl－應力腐蝕開裂，系材料內(nèi)部拉應力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下的失效形式。

4 結論

(1)封頭裂紋形成機理為典型的應力腐蝕，是在封頭應力(殘余拉應力)和腐蝕介質(zhì)共同作用下導致的失效;

(2)封頭采用冷成型工藝，雖然封頭標準JB/T 4746—2002未做出強制規(guī)定，但仍建議在具有腐蝕氣氛的環(huán)境中進行固溶處理后使用;

(3)封頭與筒體對接產(chǎn)生的焊接殘余應力也對應力腐蝕開裂有一定的影響作用。

5 改進措施

(1)按壓力容器相關標準，此直邊段裂紋屬于超標缺陷，應予以清除或更換封頭;

(2)盡量降低封頭的殘余應力，對于冷壓(冷旋)封頭，盡量采用固溶熱處理工藝，一方面使壓制過程中形成的應力得以釋放，另一方面使形變誘發(fā)的馬氏體重新發(fā)生相變形成奧氏體;

(3)對直邊段表面進行拋光，以消除表面的劃傷及壓傷，保持表面光滑，防止應力集中的發(fā)生;同時改進酸洗鈍化工藝，使不銹鋼表面能形成良好致密的保護膜。表面的防護和處理對不銹鋼應力腐蝕也非常重要;

(4)在封頭進廠驗收環(huán)節(jié)，可采用表面滲透工藝，對封頭內(nèi)外表面進行復驗，以排查封頭壓制環(huán)節(jié)中對封頭淺表面形成的缺陷;

(5)在容器的生產(chǎn)制造過程中，對組裝工藝進行嚴格質(zhì)量控制，避免對封頭進行強力組對;封頭與筒體對接時，應盡可能采用低焊接線能量，并嚴格控制層間溫度，以避免焊接造成熱影響區(qū)局部敏化，對應力集中部位盡可能實施消除應力處理。

［1］ASTM A240/A240M，American Society of Testing Materials［S］.2004.

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