承插焊閥門裂紋失效原因分析

聞家歡*

（上海華誼建設有限公司）

0 引言

在運行過程中，某公司煉油加氫裝置中某閥門發生了泄漏。經檢查后發現，泄漏點位于閥體與法蘭的連接焊縫處，且該泄漏處存在一道裂紋。該閥門投入使用已有1年多，為了查明該裂紋產生的原因，消除裝置運行安全隱患，對該閥門泄漏處的介質進行取樣，從而分析其失效原因，便避免今后發生類似情況。

該閥門是循環氫壓縮機入口分液缸沉筒液位計一次閥，閥門的工況及相關參數如表1所示。

表1 閥門工況及相關參數

該閥門為1類型閘閥，公稱壓力為15 MPa，法蘭和閥體之間的連接形式為承插式焊接。根據標準ASME B31.3《壓力管道規范》，該閥門的焊縫處壁厚不大于19 mm，故制造過程中未對焊縫進行焊后熱處理。

1 承插焊閥門材料的化學成分分析

對閥門材料成分進行實測分析，分析結果如表2所示。

表2 承插焊閥門化學成分實測值（質量分數） %

由表2可知，該閥門的材料為低碳鋼，對照相應的鋼號標準，該材料應為20#鋼，選材符合標準要求[1]。

2 承插焊閥門裂紋宏觀形貌分析

對閥體和法蘭的承插焊縫處進行著色滲透探傷后發現，泄漏處焊縫中心線上存在一條裂紋，該處也是焊縫收弧的位置，如圖1所示。

圖1 閥門焊縫處的裂紋

在焊縫處取樣，裂紋斷面如圖2所示，從圖2中可以看到，該焊縫存在未焊透缺陷。

圖2 承插焊縫裂紋斷面

3 試樣的金相組織

由于焊縫未進行焊后熱處理，因此需要根據材料的金相組織來分析焊縫和母材的組織情況，金相試樣如圖3，圖4所示。

圖3 金相試樣

圖4 焊縫和母材的金相組織

從圖3可以清楚地看到焊縫和母材的分界線，且焊縫、熱影響區和根部未焊透也可以清晰看到。裂紋形貌為放射條紋，并存在垂直于裂紋擴展方向的弧線條紋，斷口表面較光滑，因此初步可以判斷該裂紋是疲勞裂紋，裂紋源位于焊縫根部[2]。

從圖4的金相照片可以看到，母材和熱影響區的組織為鐵素體和珠光體，熱影響區的組織為魏氏組織，焊縫組織由網狀鐵素體、珠光體和上貝氏體組成。熱影響區（拋光態）還存在弧狀夾雜，這些夾雜對本次裂紋擴展及斷裂影響較小，可不予考慮。母材的晶粒較細，應該是受焊接后的冷卻速度影響，且未進行焊后熱處理導致的。

4 裂紋斷口微觀形貌和腐蝕產物分析

將裂紋斷口打開后，在掃描電子顯微鏡下觀察其微觀特征，具體如圖5所示。

圖5 裂紋斷口微觀形貌

從圖5可以看到，疲勞輝紋斷口、斷面較為平坦，且附著腐蝕產物。裂紋尖端處開口型的平面應變是形成該輝紋形貌的必要條件，因此可判斷該斷口屬于高應力低周期疲勞斷口。

同時對斷口處的腐蝕產物元素進行了能譜分析，其中S元素的含量較高，應該是介質通過裂紋縫隙進入斷口導致的。其他化學元素的含量均正常，因此，可見裂紋產生且擴展致泄漏的原因應該是低周疲勞，而不是應力腐蝕。

5 綜合分析

通過上述分析基本可以確認該裂紋的產生和擴展是由疲勞導致的。該裂紋位于在閥門下部，由于閥門自重及管道的柔性，該部位應該受到較大拉應力。通過有限元模擬計算得到該處未焊透和焊透這兩種情況下的應力分布狀態，如圖6和圖7所示。

圖6 未焊透時的應力集中狀態（單位：MPa）

圖7 焊透時均勻分布的應力狀態（單位：MPa）

由計算模型可知，未焊透時焊縫根部應力集中，且閥門位于循環氫壓縮機附近，受到壓縮機的振動影響，因此形成了導致疲勞裂紋產生和擴展的較大應力幅。而如果焊縫是焊透的，則焊縫根部的應力集中程度會較小些。

同時，焊縫未進行熱處理，因此導致其中存在較大殘余應力。焊縫收弧處的殘余應力更大，材料的韌性和塑性大幅下降，疲勞極限也隨之下降，因此疲勞裂紋在焊縫收弧處不斷擴展。

6 措施和建議

通過對閥門失效原因進行分析，可以確認焊縫未焊透，導致應力集中，是本次閥門承插焊縫疲勞裂紋產生的原因。

（1）對目前在用的類似閥門，應進行承插焊縫檢測，存在未焊透以及類似缺陷的閥門應予以更換，降低裝置運行風險；（2）在今后類似裝置建設項目中，應盡可能選用對接焊結構的閥門；（3）閥門與管件連接處的焊縫，應采用合理的焊接結構和焊接參數，確保焊縫全焊透；（4）閥門與管件連接處的焊縫需要進行無損檢測，確保不存在有害缺陷。