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，經各種試驗、檢驗合格后交付用戶。用戶在現場露天放置一年后，2011年7月初開始試壓檢測、準備使用，在做水壓試驗時發現上封頭直邊段靠近環焊縫位置，有線狀泄漏和點狀缺陷現象。

該容器屬半封閉夾套結構，上封頭裸露在大氣環境中，筒體及下封頭密閉在碳鋼保護套內。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，出廠時質保書顯示為合格產品。

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現多處裂紋，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。由數據可知，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。從試驗數據可看出，封頭的力學性能符合ASTM A240—2004標準規定。

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。絕大多數裂紋形貌均表現為: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;母材2區與焊縫之間的白色條帶區定義為母材1區，遠離焊縫部位為母材3區。

2.4.2 各區金相組織分析

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，焊縫區均為鑄態組織，鐵素體呈游離態或半連續溝狀組織。圖7示出靠近焊縫的熱影響區，在金相顯微鏡下可看到，該區域為純奧氏體組織，奧氏體呈不規則多邊形狀。

圖6 焊縫區金相組織 200×

圖7 母材1區金相組織 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，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。斷口表面呈現出“泥紋花樣”，是奧氏體不銹鋼在含有Cl－介質中發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”腐蝕產物形貌

2.6 腐蝕產物能譜分析

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

圖13 沿晶斷口面上“泥紋花樣”腐蝕產物能譜分析結果(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，內壁裂紋開口小;未貫穿的裂紋，經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標準中規定技術要求，說明原材料本身質量是合格的。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生冷作硬化現象，產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，從熔化狀態到常溫一般是不發生相變的，但在亞穩定態時加工會發生馬氏體相變，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馬氏體相。裂紋起始點均在誘發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，形成較大的組織內應力，這種組織內應力多為拉應力［3］。

除封頭壓制時產生的應力外，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生一定的影響［4－6］。

3.3 腐蝕環境

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性質而不盡相同。一般認為，Cl－濃度越低，出現沿晶應力腐蝕開裂的概率越大［9］。當應力較小，腐蝕介質較弱時，應力腐蝕裂紋多呈沿晶擴展;當腐蝕介質較強、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、溫度、應力下某種材料的腐蝕斷口的形態有關［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，經PT檢查未發現裂紋。而上封頭裸露在生產區環境中一年左右。如果環境中存在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，S，Cl元素與濕潤環境中的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，在上封頭外表面邊緣組織變化部位(拉應力)優先開始發生微裂紋，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生泄漏。有資料顯示，304不銹鋼在中性溶液中發生應力腐蝕的臨界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，系材料內部拉應力和腐蝕介質聯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未做出強制規定，但仍建議在具有腐蝕氣氛的環境中進行固溶處理后使用;

(3)封頭與筒體對接產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的馬氏體重新發生相變形成奧氏體;

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

(5)在容器的生產制造過程中，對組裝工藝進行嚴格質量控制，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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