壓力容器用鋼板卷制開裂失效原因分析

金彥楓

(1.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；2.上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518)

0 引言

近年來，根據應用場合的特殊性，石油、化工等領域壓力容器經常使用復合板材料、大厚度材料，設計時既要考慮機械強度，又要考慮耐腐蝕等性能要求。但大厚度材料、復合板材料制造壓力容器時要求較高，制造難度較大，如常規爆炸復合板的質量控制、較大厚度筒節的卷制技術、復合板基層和復合層的焊接問題、大厚度材料制壓力容器熱處理等，若控制不好，都將產生產品質量隱患乃至重大安全事故。

近年來，國內材料質量雖然得到很大的提高，但各行業中使用的機械零部件的早期失效仍時有發生。壓力容器制造中的鋼板(包括復合板)卷制失效包括原材料內部缺陷、材料表面缺陷、材料性能、卷制設備、卷制技術(始卷終卷溫度、操作等)等。通過失效分析，找出失效原因，提出有效改進措施以防止類似失效事故的重復發生，從而保證產品質量及工程的安全運行[1-2]。

本文對壓力容器制造過程中，筒節卷制這一關鍵環節的兩例開裂問題進行了分析： 通過宏觀檢測、化學成分分析、金相組織分析、硬度檢測、斷口分析等多種手段對卷制開裂失效進行綜合研判，并對鋼板卷制前原材料表面狀態、纖維伸長率ε、卷制內應力、冷作硬化等多方面進行了分析討論，結果表明，原材料易忽視的原始表面缺陷是失效原因之一，同時，制造過程的工藝控制也可以成為失效的主要原因。

1 鋼板卷制開裂情況

某設備預卷制筒節,設計內徑2 000 mm，鋼板材料牌號Q345R，厚度132 mm，熱處理狀態為正火態。卷制前的鋼板切除余量,然后采用溫卷方式卷制，溫度為600 ℃，保溫時間150 min,卷制過程中產生縱向裂紋,如圖1所示。

開裂過程為突然發生，并伴有巨大響聲。筒節長度2 430 mm，裂紋沿筒節縱向貫穿性開裂，在距離啟裂部位1 670 mm處擴展為2條分支裂紋，直至延伸至另一側板端，啟裂區裂紋深度90 mm，另一端裂紋深度分別為80，60 mm，均未貫穿壁厚。

該鋼板到廠進行入廠驗收，檢驗項目為宏觀、尺寸、厚度檢測，檢驗結果合格；鋼板下料前進行UT超聲波無損檢測，檢測結果合格。

2 鋼板卷制開裂失效分析

2.1 宏觀檢查

裂紋啟裂區位于板材外壁的一個棱線部位(鋼板本身邊沿的直角處，見圖2(a))，即鋼板卷制時的寬度方向和厚度方向的交界處，該部位裂紋張開間隙最大，約為5 mm，從間隙中可見斷口表面呈放射狀紋理，放射線收斂于棱線上，說明斷口與棱線的交點部位為裂紋源區，斷口表面呈銀白金屬色。筒節外表面和側表面垂直，源區所位于的棱線較尖銳，側表面有熱切割形成的條帶狀紋理，呈灰黑色。圖2(b)(c)分別為裂紋中間擴展區和裂紋最末端。

在圖1所示(鋼板上白線標記)的區域截取樣品進行試驗分析，其中包含啟裂區的試樣如圖3(a)所示;將板內壁側未裂部分沿斷裂面鋸開，得到的斷口試樣如圖3(b)所示，可見斷口上存在大量撕裂棱，呈放射狀分布，放射線收斂于尖角部位，與取樣前觀察的結果一致。斷口整體較為平齊，取樣切割時因與水接觸,故斷口表面輕微銹蝕。

2.2 取樣及加工

在鋼板卷制前截取的余料上和斷口源區附近分別取樣進行力學性能試驗，在源區位置取樣進行金相分析、微區硬度分析和斷口形貌分析，取樣部位見圖4。

2.3 化學成分分析

根據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》對該送檢試樣進行化學成分分析，結果見表1，滿足GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對Q345R材料的要求。

2.4 金相組織分析

取樣部位如圖4所示，以與斷口平行的表面為檢驗面，檢驗面距裂紋源的最小距離為9.5 mm。

表1 Q345R化學成分分析

依據GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的規定，試樣經機械拋光，采用硝酸酒精溶液腐蝕。檢驗結果為:板材熱切割的側邊形成熱影響區(見圖5)，自邊緣至母材依次為過燒區(見圖6)、過熱區(見圖7)、正火區(完全正火區和部分正火區)、母材(見圖8)，熱影響區寬度約3.3 mm，在邊角部位的最大深度約為5.1 mm，過燒區寬度約0.5 mm。過燒區可見大量晶間微裂紋和孔洞(見圖9)，裂紋內部有氧化物，氧化的晶界附近可見多個微小的復熔球，氧化物及復熔球的形態和成分見圖9。

2.5 力學性能分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求進行拉伸試驗和沖擊試驗，按照GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》的要求進行彎曲試驗，按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的要求進行布氏硬度試驗，試驗結果見表2，3。

表2 鋼板卷制前余料的力學性能檢測結果

表3 裂紋源區附近試樣的力學性能檢測結果

2.6 微區硬度分析

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的規定對裂紋源所在棱角部位進行硬度測定(見圖5)，其結果如表4所示。

表4 微區硬度

2.7 裂紋斷口分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口的微觀形貌進行了觀察分析。斷口表面可見解理面、扇形花樣和撕裂棱，斷裂機理為準解理斷裂，具體見圖10。

2.8 失效原因綜合分析

2.8.1 檢驗結果

(1)材料化學成分滿足GB 713—2014中的要求。

(2)母材金相組織為鐵素體+珠光體，組織正常，板材熱切割的側邊形成熱影響區，寬度約為3.3 mm，過燒區寬度約為0.5 mm，過燒區內可見晶界氧化和孔洞。

(3)卷板前后的各項力學性能指標均滿足GB 713—2014的要求，但前后屈強比變化明顯，卷板前長度和寬度方向的屈強比分別為0.63和0.68，而卷板后為0.88和0.80。

(4)源區所在的側邊棱線附近的微區內硬度偏高，且過熱區相對母材區具有更高的硬度，邊緣棱角打磨圓滑過渡不好，切割熱影響區打磨去除不充分。

(5)斷口呈脆性準解理斷裂特征。

2.8.2 分析討論

卷制前鋼板的化學成分和力學性能滿足GB 713—2014要求，長側邊的切割熱影響區以外的母材金相組織正常，說明板材材質和熱處理狀態滿足要求。

鋼板卷制時材料發生脆性斷裂的影響因素有：鋼板厚度與彎曲半徑、卷制方式(冷卷、溫卷、熱卷)、機械損傷和熱切割溝痕、邊緣棱角缺陷等[3-6]。

由于溫卷的加熱溫度通常在金屬的再結晶溫度以下，因此實質上仍屬于冷加工范圍，滾彎過程仍會引起材料的加工硬化，尤其鐵基材料加熱到200～350 ℃左右(藍脆區)時，材料強度升高、塑性降低，給繼續變形帶來困難。失效后的板材長度和寬度方向的屈強比分別為0.88和0.80，說明此時材料的抗變形能力很強，不易發生塑性變形。一般情況下，低合金鋼控制的屈強比為0.65～0.75。

由于筒節卷制時，鋼板產生內應力、冷作硬化、鋼板裂紋等現象，實踐中，采用冷卷成形時，對材料的纖維伸長率ε有一定限制，其計算公式如下：

(1)

式中，ε為鋼板纖維伸長率(%)；c為系數，碳鋼c=50,高強度合金鋼c=65;t為鋼板厚度，mm;R為成形后彎曲半徑，mm，R0為原始彎曲半徑，mm,當平板時R0=∞。

失效鋼板t=132 mm,R=1 000 mm，由鋼板一次卷制成形，即R0=∞。當c=50時，纖維伸長率ε=6.6%;當c=65時，ε=8.58%。一般碳素鋼材料的纖維伸長率不大于5%，高強度低合金鋼材料不大于3%[2]，當超過時，應當分次卷制，每一次卷制后作中間熱處理，或采用熱卷工藝[7-10]。

鋼板長側邊存在切割熱影響區，熱影響區內的過燒區存在晶界氧化現象，形成微裂紋缺陷，并且過燒組織中含有韌性極差的魏氏組織。鋼板截面的切割缺陷容易造成應力集中，板材越厚，對缺陷的敏感性越強。鋼板的棱角較為尖銳，在卷制時易形成應力集中而誘發開裂。

綜上所述，鋼板熱切割區部位不正常組織和存在的缺陷是導致開裂的部分原因。鋼板在卷制時卷制工藝不合理產生冷作硬化導致屈強比升高，進一步變形產生困難，且棱角部位應力集中促進了開裂。

3 鋼板卷制開裂失效另一案例分析

3.1 開裂情況

復合板Q345R+S31603(90 mm+3 mm)板材在卷制筒節的預卷過程中發生開裂,開裂部位如圖11所示。

裂紋自鋼板長邊的側面起裂,沿鋼板寬度方向擴展,裂紋擴展長度約為鋼板寬度的4/5,裂紋較為平直,無分支，見圖12。

該鋼板到廠進行入廠驗收，檢驗項目為宏觀、尺寸、厚度檢測，檢驗結果合格；鋼板取樣進行性能復驗(-20 ℃沖擊試驗)，檢驗結果符合技術條件要求；鋼板下料前進行UT超聲波無損檢測復驗，檢測結果合格。

3.2 失效原因分析及結論

材料化學成分滿足GB 713—2014要求；缺陷部位金相組織為回火馬氏體；金屬基材組織為鐵素體+珠光體，存在粗大的魏氏組織；拉伸試樣中1件抗拉強度超出標準要求上限(GB 713—2014中Q345斷裂強度最高620 MPa)，材料屈強比(0.81)較高，所有試樣沖擊功均小于標準要求(GB 713—2014中Q345 0 ℃沖擊功≥41 J)；原始缺陷表面附著大量氧化物，難以去除；斷口上碳鋼側脆性開裂，斷口呈準解理特征；不銹鋼復層為韌性斷裂，呈韌窩特征；裂紋啟裂于原始表面缺陷部位，斷口上碳鋼側為脆性穿晶斷口，呈準解理特征；不銹鋼復層為韌性斷裂，呈韌窩特征。板材缺陷部位表面存在起伏、不平整，在變形時，容易引起應力集中。

綜合上段描述，可得出結論：板材邊緣原始表面缺陷部位存在回火馬氏體組織，是發生脆性開裂的主要原因。

3.3 目視檢測及分析討論

NB/T 47013.7—2012《承壓設備無損檢測 第7部分：目視檢測》明確規定：目視檢測是觀察分析和評價被檢件狀況的一種無損檢測方法，指用人眼或借助某種目視輔助器材對被檢件進行的檢測。對此鋼板復合板，在出廠或入廠檢驗時若仔細檢測，定能發現其側面表面狀態的不合格，如圖13所示，其表面明顯不平整，存在較明顯的修磨痕跡，其修磨對材料表面進行硬度強化，改變了局部組織性能，為后續卷制過程埋下了隱患。

同時目視檢測標準規定，若目視檢測發現異常情況，且不能判斷缺陷的性質和影響時，可采用厚度測量、硬度測量、金相組織檢驗、磁粉或滲透等其他無損檢測方法對異常處進行檢測和評價。對其打磨處進行硬度檢測，硬度值明顯偏高，因此目視檢測是第一關鍵環節，同時結合其他無損檢測方法可有效預防零部件材料或產品在制造過程中的失效。

目視檢測的局限性就是受人為因素影響較大，同時對有遮擋的工件表面不能有效檢測。針對此復合板材料，由于檢測時忽視了側面這一環節，導致了整張復合板報廢的事故。

4 結語

(1)卷制工藝不合理產生冷作硬化導致屈強比升高，進一步變形產生困難，且棱角部位應力集中促進了開裂。同樣，熱切割區部位不正常組織和存在的缺陷是引起開裂的促發因素，因此筒體冷卷(包括溫卷)時，一定要考慮由于材料加工冷作硬化使材料強度升高、塑性降低給變形帶來的影響，變形率較大時，應分次卷制，每一次卷制后作中間熱處理，或采用熱卷工藝。

(2)板材邊緣原始表面缺陷部位存在回火馬氏體組織，引起脆性開裂。而板材邊緣(即寬度方向)的表面缺陷僅是材料制造中進行的一次修磨處理，目視檢測就是檢測這個缺陷問題的必要環節，也是預防此重大失效的關鍵無損檢測方法，在鋼板卷制成形之前，必須對鋼板側邊緣進行目視檢查，打磨消除側邊棱角，并圓滑過渡，打磨標準以硬度檢測為準，硬度驗收參照原材料證明文件。必要時進行MT檢測。

(3)筒節制造是卷焊制壓力容器的關鍵工序，其制造工藝的優化、原材料的完好狀態(包括表面和內部)、入廠后的檢驗復驗(包括目視檢測)等都是其質量保證的關鍵環節。