某模塊接管焊口疲勞失效分析

陶 凱

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海201323）

0 前言

某多晶硅項目還原爐模塊經工廠檢驗合格后發貨，經過近4 000 km陸路運輸到達現場后，經檢查發現，此模塊共40條支管線，31號焊口開裂，凸臺與管線采用支座式焊接，支座上開V型單邊坡口，坡口如圖1a所示。采用GTAW焊，填充采用φ2.4 mm的ER316L焊絲，保護氣體為99.99%氬氣，焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數Table 1 Welding parameters

管子及凸臺材料均為022Cr17Ni12Mo2，管子直徑168.3 mm，厚度3.4 mm；凸臺直徑33.4 mm，厚度4.55 mm。檢查發現裂紋沿焊趾處開裂，外觀形貌如圖1所示。為了查明失效原因，切割此處接管并進行理化分析。

圖1 坡口及管子裂紋示意Fig.1 Pictures of the joint groove and pipe crack

圖2 裂紋處金相照片Fig.2 Microstructure of the crack

1 理化試驗

1.1 金相檢驗

由圖1可知，裂紋沿著管子的焊縫邊緣處。將切割后的管子沿裂紋處取樣進行金相檢驗，將樣品打磨拋光用10%草酸電解腐蝕后，在金相顯微鏡下放大200倍觀察組織，組織照片如圖2所示，金相結果顯示組織為奧氏體組織。裂紋起源于管子外壁焊趾處，沿著管外壁往內壁擴展。裂紋為穿晶裂紋，裂紋邊緣組織晶界清晰，無碳化物析出[1]。

1.2 化學成分分析

取樣進行化學成分分析，采用臺式直讀光譜儀

1.3 力學性能試驗

在裂紋附近處縱向取樣進行室溫拉伸性能試驗，拉伸試樣寬度12.5 mm，厚度按原管壁厚，按照GB/T228.1[2]試驗方法進行拉伸試驗，試驗結果如表4所示，滿足標準要求。對焊接接頭進行維氏硬度檢測，數據如表5所示。（型號SPECTRO MAXx）對接管外壁、內壁及凸臺進行化學成分分析，結果如表2和表3所示。結果顯示，其成分滿足標準要求。

表2 管子化學成分Table 2 Chemical requirements of the pipe %

表3 凸臺化學成分Table 3 Chemical requirements of the convex coupling %

表4 管子拉伸試驗結果Table 4 Tensile test result of the pipe

表5 焊接接頭硬度試驗結果Table 5 Hardness test result of the joint

1.4 斷口分析

將斷口用酒精清洗、干燥后，使用掃描電鏡進行觀察，斷口宏觀形貌如圖3所示。觀察斷口可知，此處斷裂起源于管外壁，其起源區、擴展區、瞬斷區及擴展方向如圖中箭頭所示。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of the fracture

分別放大觀察起源區、擴展區、瞬斷區。起源區放大后照片如圖4所示，起裂源附件表面可見較多微小裂紋。擴展區放大后觀察形貌如圖5所示，微觀下可見明顯的疲勞輝紋。瞬斷區斷口粗糙，局部有磨損，斷口微觀形貌為疲勞斷口，如圖6所示。

由理化試驗結果可知，有裂紋的管子的化學成分、拉伸試驗性能均滿足標準要求。金相檢驗結果表明，焊接熱循環對管子母材沒有惡劣影響，管子母材金相組織為正常奧氏體組織。斷口掃描電鏡顯示，此貫穿裂紋由管外表面焊趾處產生，向管內壁延伸，最終貫穿斷裂。

2 分析與討論

圖4 起源區形貌Fig.4 Crack source morphology

接管上凸臺開V型單邊坡口，凸臺厚度較厚，而管壁較薄，與接管為全焊透結構。觀察開裂的焊接接頭外觀，與接管連接處的焊縫沒有圓滑過渡，局部位置的焊縫外表面與管子呈近90°直角，此焊縫焊趾處容易形成應力集中，而其他接管凸臺焊縫有圓滑過渡，不易形成應力集中。

凸臺焊縫較厚，而對應管子較薄，加上接管焊趾處應力集中，在此位置易萌生疲勞源。現場檢查發現支線上端固定處存在一定間隙，如圖7所示。本模塊裝車后從江蘇經過長途陸運運往新疆，路途遙遠，運輸過程中路面不平難免造成顛簸，同模塊上曾發現螺母在運輸顛簸后掉落。運輸過程中的顛簸加上模塊本身結構原因（支線下端裝有2個閥，且支線凸臺處于管子單端固定），運輸過程中往返晃動形成的載荷使得焊趾處萌生的裂紋向管內壁擴展，管壁較薄，當疲勞裂紋擴展到一定程度時造成開裂[3-4]。如果管支線處的間隙過大，會導致運輸過程中管支線搖晃，而進行強力固定，又會增加管子凸臺焊縫處的應力。所以此處間隙過大時，應增加墊塊進行固定。

圖5 擴展區形貌Fig.5 Extended region morphology

圖6 最后斷裂區形貌Fig.6 Final fracture morphology

圖7 管線結構Fig.7 Pipe structure sketch

其他管線處焊縫都有圓滑過渡，而這條焊縫在檢驗時漏檢，沒有檢驗焊縫外觀及進行修磨，從而導致此焊縫焊趾處應力集中，萌生裂紋源，隨之擴展，最終導致疲勞失效，與斷口分析結果一致。

3 結論

（1）該接管處失效機理為疲勞斷裂，起源于管外壁的焊趾處，穿透整個管壁。

（2）增加管子壁厚，支線固定時防止固定過松，同時禁止強力固定。

（3）加強檢驗控制，特別是焊縫外觀的檢驗，焊趾處要求圓滑過渡。