引壓管焊接接頭裂紋失效分析

張 杰，滕漢平，盧雪梅

（1.甘肅省特種設(shè)備安全技術(shù)檢查中心，甘肅 蘭州 730020；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518）

不銹鋼引壓管在石油化工行業(yè)中具有較為廣泛的應(yīng)用，其品質(zhì)和焊接質(zhì)量直接影響裝置或設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[1]。某裝置不銹鋼引壓管內(nèi)介質(zhì)為氫氣，操作溫度110℃～120℃，操作壓力8.3MPa。在設(shè)備運(yùn)行過程中一引壓管閥座與接管焊接接頭處發(fā)生了開裂。為分析焊接接頭開裂原因，防止發(fā)生類似失效事件，本文采用了無損檢測、化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法對其進(jìn)行了檢測和分析[2]。

1 結(jié)果與分析

1.1 無損檢測

管線焊接接頭的開裂位置如圖1 所示，開裂發(fā)生在閥座與接管的焊接接頭處。該接頭為承插焊連接，裂紋部位存在打磨現(xiàn)象，對接頭外部進(jìn)行滲透檢測,發(fā)現(xiàn)長度約為1/3 管周長的裂紋，無明顯分叉。該焊縫填充金屬厚度及焊腳尺寸缺失較多，且焊縫與母材和焊縫外形均未凹形圓滑過渡[3]，此種結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生應(yīng)力集中,降低焊縫的承載能力。

圖1 失效部位宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

對該接頭進(jìn)行了化學(xué)成分分析，接管和閥座化學(xué)成分見表1 和表2，接管化學(xué)成分符合GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》中1Cr18Ni9 的要求，閥座化學(xué)成分符合NB/T 47010-2010《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中S30408的要求。

表1 接管化學(xué)成分

表2 閥座化學(xué)成分

1.3 顯微組織分析

從引壓管沿管線軸向方向垂直于焊縫裂紋處取樣進(jìn)行了顯微組織分析。

1.3.1 非金屬夾雜物

依據(jù)GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行了非金屬夾雜物級別評定，其中閥座非金屬夾雜物級別為D1.0級，如圖2 所示，接管非金屬夾雜物級別為A0.5 級，如圖3 所示，符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 閥座非金屬夾雜物

圖3 接管非金屬夾雜物

1.3.2 金相組織

試樣經(jīng)磨制、機(jī)械拋光，采用王水溶液腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察。對應(yīng)的金相組織如圖4—9 所示。

圖4 閥座微觀組織

圖5 閥座側(cè)熱影響區(qū)微觀組織

圖6 焊縫微觀組織

圖7 接管側(cè)熱影響區(qū)微觀組織

圖8 接管微觀組織

圖9 失效引壓管裂紋形貌

接管、閥座母材的金相組織均為單相奧氏體組織，接管側(cè)熱影響區(qū)、焊縫、閥座側(cè)熱影響區(qū)金相組織都為奧氏體+δ 鐵素體。裂紋啟裂于焊縫根部閥座內(nèi)側(cè)熱影響區(qū)，向閥座母材擴(kuò)展。

1.3.3 斷口分析

斷口的宏觀形貌如圖10 所示，斷口較為平整，未發(fā)生明顯塑性變形，呈脆性開裂特征[4]。

圖10 斷口宏觀形貌

圖11 為焊縫根部A 處的微觀形貌，從圖看出，晶粒間存在微裂紋。

圖11 焊縫根部斷口形貌（A 處）

圖12 為遠(yuǎn)離焊縫根部B 處微觀形貌，存在疲勞輝紋。說明該引壓管焊接接頭的裂紋屬于疲勞裂紋擴(kuò)展所致[5]。

圖12 焊縫根部斷口形貌（B 處）

2 分析與討論

根據(jù)現(xiàn)場情況結(jié)合宏觀檢查和無損檢測分析，該接頭焊接工藝和焊接質(zhì)量應(yīng)存在問題，焊縫裂紋處打磨后未進(jìn)行補(bǔ)焊，因焊接接頭處多為應(yīng)力集中區(qū)，加劇了應(yīng)力集中程度。

從裂紋宏觀斷口形貌分析，斷口未發(fā)生明顯塑性變形，呈現(xiàn)脆性斷裂特征。從微觀組織分析，引壓管裂紋以沿晶擴(kuò)展為主，從管座內(nèi)部熱影響區(qū)開裂向外側(cè)擴(kuò)展，從微觀形貌分析，斷口形貌呈典型疲勞輝紋形貌。

該引壓管工作壓力為8.3 MPa，在臨氫環(huán)境和管內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)力作用下，焊接接頭處若存在未焊透或沿晶裂紋等缺陷，應(yīng)力集中就會產(chǎn)生，在集中應(yīng)力的作用下，在幾何不連續(xù)處形成裂紋源并失穩(wěn)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致引壓管開裂泄漏。

3 結(jié)論

（1）接管化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼及耐熱鋼牌號及化學(xué)成分》中1C18Ni9 的要求，閥座化學(xué)成分符合NB/T 47010《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》中S 30408 的要求。

（2）接管金相組織為奧氏體，非金屬夾雜物級別為A.05 級；閥座金相組織為奧氏體，非金屬夾雜物級別為D1.0 級，焊縫金相組織為奧氏體+δ 鐵素體。

（3）裂紋啟裂于焊縫根部閥座內(nèi)側(cè)熱影響區(qū)，沿著閥座側(cè)熱影響區(qū)從內(nèi)側(cè)向焊縫外表面擴(kuò)展。

（4）從斷口宏觀形貌分析，斷口較平整，未發(fā)生明顯塑性變形，呈現(xiàn)脆性開裂特征；從斷口微觀分析，微小裂紋在交變應(yīng)力及氫的作用下，在焊縫薄弱部位發(fā)生了擴(kuò)展，形成了宏觀裂紋，斷口成典型的疲勞斷口特征。

（5）疲勞開裂是導(dǎo)致泄漏的主要原因。焊縫根部的沿晶裂紋形成了天然的裂紋源，管道運(yùn)行時振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力為裂紋的擴(kuò)展提供了有力保障，再加上該部位焊縫尺寸不足，承載能力弱，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋就會在該部位萌生和擴(kuò)展，形成貫穿性裂紋。

4 建議

（1）采用評定合格的焊接工藝，提高焊縫焊接質(zhì)量[6]，對維修部位及時補(bǔ)焊。

（2）可改變連接方式，通過大小頭或改變連接短管改角焊縫為全焊透對接焊縫，避免結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。

（3）加強(qiáng)運(yùn)行管理，及時檢查連接部位的震動情況，若震動較大可通過添加支撐的方式，減小震動，避免疲勞開裂。