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.機械工業(yè)上海藍亞石化設(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)濟運行[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、化學分析、金相檢驗、斷口分析等方法對其進行了檢測和分析[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 化學成分分析

對該接頭進行了化學成分分析，接管和閥座化學成分見表1 和表2，接管化學成分符合GB/T 20878-2007 《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》中1Cr18Ni9 的要求，閥座化學成分符合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 接管化學成分

表2 閥座化學成分

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準評級圖顯微檢驗法》進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、機械拋光，采用王水溶液腐蝕，在光學顯微鏡下觀察。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行補焊，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展為主，從管座內(nèi)部熱影響區(qū)開裂向外側(cè)擴展，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)擴展，最終導致引壓管開裂泄漏。

3 結(jié)論

（1）接管化學成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼及耐熱鋼牌號及化學成分》中1C18Ni9 的要求，閥座化學成分符合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，管道運行時振動產(chǎn)生的交變應(yīng)力為裂紋的擴展提供了有力保障，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）加強運行管理，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。