不銹鋼四通焊縫熱影響區(qū)開裂失效分析

駱青業(yè)，勾 通，田亞雄

（北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074）

0 引言

在石油化工、航空航天領(lǐng)域，奧氏體不銹鋼由于具有優(yōu)良的機(jī)械性能和抗腐蝕性能而得到廣泛應(yīng)用。通常情況下，不銹鋼的耐腐蝕性是由于在金屬表面形成了致密的鈍化膜而具有了耐腐蝕性能。一般自然環(huán)境下表面鈍化膜的完整性可以抵抗環(huán)境腐蝕，但是當(dāng)鈍化膜發(fā)生了破損，并且在比較惡劣的海洋大氣環(huán)境下，環(huán)境中攜帶著氯化物懸浮顆粒吹落到金屬表面，引起較為嚴(yán)重的局部腐蝕。目前，許多專家對(duì)奧氏體不銹鋼在海洋氣候下的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了深入研究，探討了腐蝕引起的各種因素，并且得出了濕熱海洋大氣環(huán)境下氯離子的存在對(duì)不銹鋼的腐蝕最為嚴(yán)重。

某發(fā)射場(chǎng)作為新建的大型運(yùn)載火箭發(fā)射中心，大部分設(shè)備以及管路系統(tǒng)采用的是06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼。但是，由于某發(fā)射場(chǎng)距離海邊較近，特殊的海洋氣候下鹽霧腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。多次出現(xiàn)設(shè)備以及管路的腐蝕失效。有些失效是有征兆的，有些是突然間的破壞。因此，需要針對(duì)失效原因進(jìn)行深入分析，歸納總結(jié)，并采取一定的預(yù)防措施。本文針對(duì)不銹鋼管路四通熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋進(jìn)行了失效分析，并給出了相應(yīng)措施。

1 問題描述

某發(fā)射場(chǎng)液氫排放管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為0.2MPa，公稱通徑DN350，管路材質(zhì)為GB/T 12771-2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》中的奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。管路系統(tǒng)見圖1。

圖1 管路系統(tǒng)Fig.1 Piping system

排放管路系統(tǒng)使用1年后進(jìn)行檢修維護(hù)，聽到管路四通位置存在漏氣聲音，發(fā)現(xiàn)四通位置發(fā)生了開裂現(xiàn)象。如圖2所示，（a）為四通外觀形貌，（b）為四通開裂位置放大圖，橢圓區(qū)域內(nèi)為裂紋。

圖2 四通裂紋Fig.2 Fracture of four-way pipe

2 原因分析

考慮到管路系統(tǒng)的工作壓力很低，DN350管路四通采用同規(guī)格管路加工拼焊而成。但是四通連接位置由于進(jìn)行了主管路大開孔，使得承載能力下降，并且存在應(yīng)力增大。另一方面，在低溫工況下，管路系統(tǒng)冷縮變形造成二次應(yīng)力水平過大。

管路系統(tǒng)使用環(huán)境室外距海邊約1km，空氣中鹽霧濃度2～5mg/m3。當(dāng)?shù)販囟葪l件為年平均氣溫24.1℃，當(dāng)?shù)貪穸葪l件為年平均相對(duì)濕度為86%。受到鹽霧環(huán)境的影響，引起薄弱的熱影響區(qū)位置出現(xiàn)裂紋。

2.1 化學(xué)成分分析

管路材質(zhì)不符合要求，某些合金元素的缺失或者含量嚴(yán)重不足可能會(huì)引起使用過程中開裂問題。首先對(duì)管路的基體進(jìn)行化學(xué)成份分析，見表1。元素成份含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition

2.2 應(yīng)力增大及強(qiáng)度削弱

四通屬于管道系統(tǒng)中比較薄弱的管件，尤其是未加強(qiáng)的焊接四通。四通位置幾何形狀發(fā)生突變，外力作用下局部應(yīng)力急劇增大。根據(jù)GB 50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄E，通過計(jì)算未加強(qiáng)的焊接支管其應(yīng)力增大系數(shù)平面外為13.7，平面內(nèi)為10.5[1]。

管路系統(tǒng)主管與支管以焊接方式連接，主管開孔環(huán)形應(yīng)力的承受面積減小，承載能力下降。而四通位置未進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，引起強(qiáng)度削弱。根據(jù)HG/T 20582《鋼制化工容器剛度計(jì)算規(guī)定》中大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，其強(qiáng)度削弱系數(shù)為0.57[2]。

2.3 焊接引起晶間腐蝕

奧氏體不銹鋼屬于多晶結(jié)構(gòu)材料，內(nèi)部存在晶界，晶界受到腐蝕破壞的現(xiàn)象為晶界腐蝕。晶界腐蝕是微電池作用引起的局部破壞，是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿材料的晶界產(chǎn)生的腐蝕。

通過觀察焊縫熱影響區(qū)相對(duì)其他位置出現(xiàn)了比較明顯的銹蝕現(xiàn)象，其抗腐蝕能力下降主要由于奧氏體中Cr元素?fù)p失引起的晶間腐蝕。管路焊接過程中，由于焊接參數(shù)及焊接工藝控制不當(dāng)，很容易造成熱影響區(qū)的敏化，C元素與Cr元素結(jié)合。

2.4 鹽霧環(huán)境引起應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕開裂指的是金屬在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起的破裂。應(yīng)力腐蝕機(jī)理比較復(fù)雜，當(dāng)應(yīng)力不存在時(shí)，腐蝕裂紋發(fā)展很慢，以至于在材料壽命期內(nèi)不發(fā)生開裂；當(dāng)應(yīng)力存在并達(dá)到一定水平后，金屬會(huì)在腐蝕并不嚴(yán)重的情況下發(fā)生破裂。奧氏體不銹鋼在外部鹽霧環(huán)境中Cl離子的作用下，引起應(yīng)力腐蝕，造成沒有任何征兆的脆性裂紋產(chǎn)生[3-6]。

3 補(bǔ)救措施

由于任務(wù)的需求，需要對(duì)管路排放系統(tǒng)開裂四通進(jìn)行臨時(shí)性補(bǔ)救。主要采取現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)，制定合理的焊接方案，預(yù)防管路內(nèi)部多余物產(chǎn)生。

3.1 焊絲選擇

本項(xiàng)目焊縫焊接選用手工氬弧焊焊接方法，焊絲選用YB/T 5092-2016《焊接用不銹鋼絲》，焊絲直徑Φ1.6mm，奧氏體型不銹鋼焊絲，牌號(hào)H06Cr21Ni10。要求焊絲冷拉狀態(tài)交貨，表面光滑，不得有銹蝕、氧化皮和其他對(duì)使用有害的缺陷。

焊絲化學(xué)成分元素含量標(biāo)準(zhǔn)：Cr（19.5%～22.0%）、Ni（9.0%～11.0%）、Mn（1.0%～2.5%）、Si（0.3%～0.65%）。為了保證焊縫的焊接質(zhì)量，對(duì)S和P這兩種有害元素進(jìn)行化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行控制，要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.03%。

本焊絲常用于18-8、18-12型奧氏體不銹鋼焊接，廣泛用于石油化工、壓力容器、食品機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、化肥設(shè)備、紡織機(jī)械、核反應(yīng)堆等材料的焊接，具有優(yōu)良的焊接性能。

3.2 內(nèi)部充氣保護(hù)

管路焊接過程中，為了保證焊縫內(nèi)部成型質(zhì)量，避免出現(xiàn)氧化皮、焊渣等缺陷，必須進(jìn)行內(nèi)部充氣保護(hù)。一般，管路焊接采用背部充Ar保護(hù)，但是對(duì)于大口徑長(zhǎng)管道，保護(hù)氣體成本較高。查閱相關(guān)資料，常用焊接保護(hù)氣體可以采用CO2、Ar、He、N2、Ar+N2、Ar+H2等[7]。

分析幾種氣體的特性，預(yù)更換為較為廉價(jià)的N2。為了證實(shí)背部充N2保護(hù)的可行性，進(jìn)行了DN50規(guī)格的不銹鋼短管進(jìn)行焊接試驗(yàn)驗(yàn)證。采用手工鎢極氬弧焊，在保證焊接電流、焊工、焊絲等焊接條件相同的條件下，分別采取兩種方案：方案一，背部不進(jìn)行任何氣體保護(hù)；方案二，背部充入12L/min的N2。

焊接完畢，沿試件軸線方向剖開觀察焊縫內(nèi)表面的質(zhì)量，焊縫內(nèi)表面外觀形貌見圖3。方案一，焊縫表面存在焊渣，熱影響區(qū)較寬，顏色變黑；方案二，焊縫呈現(xiàn)金屬光亮色，未出現(xiàn)焊渣等缺陷。可見，將背部充Ar保護(hù)更換為N2方案可行。

圖3 焊縫內(nèi)表面Fig.3 Internal surface of weld

3.3 四通裂紋修復(fù)

現(xiàn)場(chǎng)采用專用工具沿裂紋方向進(jìn)行打磨，露出金屬本色，保證打磨后保留0.5～1mm壁厚。同時(shí)，對(duì)裂紋周圍10mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨，去除表面的雜質(zhì)。現(xiàn)場(chǎng)施工焊接，保證環(huán)境適宜，選擇濕度小的焊接環(huán)境，搭建防風(fēng)棚進(jìn)行防護(hù)。

焊接選用Φ1.6mm不銹鋼焊絲進(jìn)行焊接，焊縫采用全焊透型式，并且采用小電流焊接。從四通位置最近的工藝接口通入N2進(jìn)行氣體保護(hù)。焊接完畢采用不含Cl離子的純凈水進(jìn)行快速冷卻，迅速跨過敏化溫度。圖4為焊縫裂紋修復(fù)后的宏觀形貌，見橢圓區(qū)域。

圖4 修復(fù)后焊縫Fig.4 Weld after repair

4 改進(jìn)措施

四通焊縫熱影響區(qū)開裂，由于受到海洋大氣環(huán)境中有害離子的作用，并且承受內(nèi)部壓力產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，促使產(chǎn)生裂紋。

為了保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期使用運(yùn)行可靠，任務(wù)后對(duì)開裂位置四通進(jìn)行改造，主要包含以下幾方面：

將四通位置更換為兩個(gè)三通連接，三通采用整體成型型式，可以降低采用焊接四通存在多條交叉焊縫，容易造成應(yīng)力集中。

制定合理的施工方案，控制管路多余物，防止管路內(nèi)部污染。采用內(nèi)部充氮?dú)膺M(jìn)行焊接過程中保護(hù)，能夠有效減少焊縫內(nèi)表面的焊渣以及氧化皮的產(chǎn)生，保證了管路潔凈度。

控制現(xiàn)場(chǎng)管路焊接質(zhì)量，預(yù)防不銹鋼的晶間腐蝕。采用小的焊接線能量，可以降低晶間腐蝕的概率。

對(duì)管路表面進(jìn)行防腐處理，抵抗海邊鹽霧腐蝕。

本文針對(duì)某發(fā)射場(chǎng)不銹鋼管路四通位置焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋進(jìn)行了原因分析，得出了管路大開孔引起應(yīng)力增大及強(qiáng)度削弱，同時(shí)由于焊接過程控制不當(dāng)，受到鹽霧環(huán)境影響，在低溫工況下工作引起四通失效。根據(jù)任務(wù)需求提出了快速補(bǔ)救措施以及保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性運(yùn)行的改進(jìn)方案。