某型號金屬軟管泄漏故障分析

王 磊 付 靜 余善海 潘 科 張 凱

（河南航天工業(yè)總公司，鄭州 451191）

近年來，河南航天工業(yè)總公司交付的用于運(yùn)載火箭供氣系統(tǒng)使用的某型號金屬軟管，在安裝調(diào)試一段時間后存在管體泄漏的問題。通過對故障件進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，即向故障件通入0.2MPa 氣壓后，發(fā)現(xiàn)位于軟管管坯與焊接轉(zhuǎn)接頭附近的部位泄漏較嚴(yán)重。本文通過對故障件進(jìn)行剖切檢查、微觀檢查以及金相分析，查找金屬軟管泄漏的原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

金屬軟管由接頭組件（包括外套螺母、球形接頭和焊接接管嘴等）、焊接轉(zhuǎn)接頭、焊接環(huán)、金屬波紋管管坯以及不銹鋼絲網(wǎng)套等組成，材質(zhì)均為1Cr18Ni9Ti（18-8 型不銹鋼）。金屬軟管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。金屬軟管的加工過程共有3 道焊接工序。其中，第1 道焊縫（焊縫Ⅰ）為管坯和焊接轉(zhuǎn)接頭之間的氬弧焊焊接（141 焊接）；第2 道焊縫（焊縫Ⅱ）為焊接環(huán)、鋼絲網(wǎng)套和焊接轉(zhuǎn)接頭之間的高頻感應(yīng)釬焊焊接（916 焊接）；第3 道焊縫（焊縫Ⅲ）為接頭組件和焊接轉(zhuǎn)接頭之間的氬弧焊焊接（141 焊接）。

圖1 金屬軟管結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知：焊縫Ⅰ主要起密封作用；焊縫Ⅱ主要防止焊接環(huán)和金屬鋼絲網(wǎng)套脫落，并對焊縫Ⅰ起到固定和保護(hù)作用；焊縫Ⅲ可將軟管轉(zhuǎn)換成所需的接頭型式；鋼絲網(wǎng)套可對管坯起到外觀保護(hù)和承受壓力的作用。

2 檢查過程

2.1 故障件剖切檢查

為準(zhǔn)確找到故障件的泄漏點(diǎn)，采用機(jī)械方法將波紋管管坯（連同焊接轉(zhuǎn)接頭）與鋼絲網(wǎng)套剖切后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)波紋管氬弧焊環(huán)焊縫的第2 道波谷存在一條穿透性裂紋，長約3mm，大致呈“L”形，主方向沿縱向開裂。裂紋附近表面未見明顯的機(jī)械損傷痕跡，如圖2 所示。

2.2 微觀檢查

采用體視顯微鏡觀察剖切件，發(fā)現(xiàn)裂紋斷口處未見明顯的塑性變形，且斷面較為粗糙，未見明顯的腐蝕痕跡。采用掃描電鏡觀察剖切件，發(fā)現(xiàn)整個裂紋斷面均呈沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，未見材料缺陷，如圖3 所示。

2.3 金相分析

從剖切件裂紋附近截取縱剖面試樣，并制備成金相試樣，進(jìn)行金相組織觀察和顯微硬度測試。

圖2 故障件剖切照片

首先，環(huán)焊縫組織未見異常，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。波紋管基材為奧氏體組織，但焊縫附近組織與其他區(qū)域組織存在明顯差異。焊縫中第1 ～4 道波谷范圍內(nèi)，組織可見沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，其中第2 道波谷處（對應(yīng)裂紋位置）網(wǎng)狀碳化物的數(shù)量最多，如圖4 所示。

圖3 剖切件的低倍形貌

圖4 故障件金相組織分析

其次，采用標(biāo)準(zhǔn)顯微維氏硬度塊HV0.2 對金相試樣進(jìn)行顯微硬度測試，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，開裂區(qū)域的硬度與正常區(qū)域的硬度未見明顯差異；故障件環(huán)焊縫中1 ～4 道波谷范圍內(nèi)，管坯受焊接熱影響，組織中網(wǎng)狀碳化物增多，晶界弱化。

表1 顯微硬度測試結(jié)果

3 原因分析

分析以上檢查結(jié)果可知，故障件無機(jī)械損傷。18-8 型不銹鋼在焊接過程中，因焊接線能量過大，導(dǎo)致不銹鋼中的碳與鉻結(jié)合形成網(wǎng)狀碳化物。此外，熱影響區(qū)內(nèi)網(wǎng)狀碳化物增多且晶界弱化，使焊接敏化，管坯塑性降低，從而影響管坯的承載能力。

金屬軟管在加工過程中共有3 道焊接工序。其中，第一道焊接工序會在焊縫Ⅰ處殘余較多應(yīng)力，使焊縫Ⅰ成為應(yīng)力集中處。軟管加工過程中未對焊接殘余應(yīng)力采取有效措施，因此在使用過程中應(yīng)力集中處易發(fā)生脆性開裂。

綜上所述，可以得出金屬軟管泄漏的主要原因在于兩個方面。一方面，因焊接過程中選取焊接電流過大，造成管坯熱影響區(qū)組織發(fā)生變化，從而使網(wǎng)狀碳化物增多，材料塑性降低。另一方面，加工過程中未有效去除焊接形成的應(yīng)力，導(dǎo)致在使用過程中金屬軟管在焊接殘余應(yīng)力和工作載荷的共同作用下，應(yīng)力集中處易發(fā)生脆性開裂，造成金屬軟管泄漏。

4 改進(jìn)措施

為避免后續(xù)產(chǎn)品再次出現(xiàn)類似的故障，特從金屬軟管產(chǎn)品加工工藝方面采取以下改進(jìn)措施。第一，加強(qiáng)焊前過程控制。在每道焊接工序之前增加清洗工序，確保焊接時接頭、焊絲和管坯等無油污與灰塵等多余物，從而防止焊接過程中存在焊縫夾雜和氣孔等缺陷。第二，細(xì)化各通徑金屬軟管的焊接參數(shù)，適當(dāng)減小焊接電流，從而減小因焊接電流過大對管坯組織造成的敏化影響。第三，在工藝中增加一次去應(yīng)力退火處理，即金屬軟管整體焊接完成后，將軟管放置于真空爐內(nèi)進(jìn)行退火處理，溫度為400℃±10℃，保溫2h，并隨爐冷卻。

5 結(jié)語

金屬軟管在焊接過程中因焊接電流過大，造成熱影響區(qū)內(nèi)敏化，使網(wǎng)狀碳化物增多，軟管承載能力降低。此外，焊接殘余應(yīng)力和工作載荷的共同作用會造成管坯塑性開裂，使軟管發(fā)生泄漏。為解決以上問題，可通過優(yōu)化焊接參數(shù)和增加焊后去應(yīng)力等措施，有效提高金屬軟管的可靠性。