圖 1 儲氣罐外部宏觀形貌
分享：某儲氣罐角焊縫開裂原因
焊接裂紋是在焊接應力及其他因素的共同作用下，材料的原子結(jié)合遭到破壞，形成新界面而產(chǎn)生的縫隙[1]。近年來，隨著機械、能源、石油化工等工業(yè)的發(fā)展，各種焊接結(jié)構(gòu)也日趨大型化、高參數(shù)化，在生產(chǎn)中，這些焊接結(jié)構(gòu)最常出現(xiàn)的、危害最大的焊接缺陷之一就是焊接裂紋。焊接裂紋種類繁多，產(chǎn)生的原因各不相同。有些焊接裂紋會在焊后立即產(chǎn)生，有些焊接裂紋則可能在焊后一段時間才產(chǎn)生，也有些焊接裂紋是焊接結(jié)構(gòu)在服役過程中，在外界條件誘導下產(chǎn)生的，因此預防焊接裂紋的產(chǎn)生較困難[2-4]。
某公司新投入使用的儲氣罐使用不足1 a即發(fā)生開裂泄漏。經(jīng)檢查，漏點位于筒體與進氣接管的位置。該儲氣罐筒體材料為Q345R鋼，規(guī)格為2 000 mm×12 mm（外徑×壁厚），設計壓力為1.58 MPa，設計溫度為50 ℃，容積為12 m3，工作介質(zhì)為空氣、氮氣、氬氣；接管材料為20鋼，規(guī)格為89 mm×6 mm（外徑×壁厚），執(zhí)行標準為GB/T 8163—2018 《輸送流體用無縫鋼管》。筆者采用一系列理化檢驗方法對儲氣罐開裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
將漏點附近的防腐漆去除，觀察儲氣罐外部的宏觀形貌，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：表面裂紋沿角焊縫分別向筒體和接管側(cè)開裂，除少量銹跡外，未見異常腐蝕產(chǎn)物。
沿角焊縫將裂紋完整切取，沿軸線方向觀察儲氣罐內(nèi)部，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：接管內(nèi)壁可見兩條獨立裂紋，結(jié)合角焊縫內(nèi)、外表面裂紋特征，確定兩條裂紋已貫穿壁厚，但未交匯連接，未交匯處位于焊縫區(qū)。初步推測，裂紋起源于焊縫區(qū)，并分別向筒體和接管兩側(cè)擴展。
圖 2 儲氣罐內(nèi)部宏觀形貌
在裂紋附近取角焊縫接頭進行宏觀金相檢驗，按GB/T 6417.1—2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明》標準評定，角焊縫接頭存在未熔合缺陷（見圖3）。
圖 3 角焊縫接頭宏觀形貌
將貫穿裂紋打開，表面可見紅棕色腐蝕產(chǎn)物，清洗后觀察，斷口表面平齊，無明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征（見圖4）。
圖 4 斷口的宏觀形貌
1.2 化學成分分析
依據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，采用全譜直讀光譜儀對儲氣罐筒體、接管及焊縫的化學成分進行分析，結(jié)果如表1~3所示。由表1~3可知：儲氣罐筒體的化學成分符合GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》對Q345R鋼的要求；接管的化學成分符合GB/T 8163—2018對20鋼的要求；焊縫的化學成分符合GB/T 5117—2012 《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》對E5015鋼的要求。
Table 1. 筒體的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cu | Cr | Ni | V | Mo | Nb | Ti | Al | |
| 實測值 | 0.16 | 0.26 | 1.31 | 0.020 | 0.004 | 0.01 | 0.03 | 0.08 | 0.002 | 0.02 | 0.01 | 0.08 | 0.04 |
| 標準值 | ≤0.20 | ≤0.55 | 1.20~1.70 | ≤0.025 | ≤0.010 | ≤0.30 | ≤0.30 | ≤0.30 | ≤0.050 | ≤0.08 | ≤0.050 | ≤0.030 | ≤0.050 |
Table 2. 接管的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | |
| 實測值 | 0.219 | 0.20 | 0.38 | 0.018 | 0.011 | 0.04 | 0.01 | 0.02 |
| 標準值 | 0.17~0.23 | 0.17~0.37 | 0.35~0.65 | ≤0.035 | ≤0.030 | ≤0.25 | ≤0.30 | ≤0.20 |
Table 3. 焊縫的化學成分分析結(jié)果
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Mo | V | |
| 實測值 | 0.11 | 0.61 | 1.35 | 0.015 | 0.011 | 0.08 | 0.17 | 0.11 | 0.005 |
| 標準值 | ≤0.15 | ≤0.90 | ≤1.60 | ≤0.035 | ≤0.035 | ≤0.20 | ≤0.30 | ≤0.30 | ≤0.08 |
1.3 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：斷口上可見清晰的解理臺階，呈典型的脆性開裂特征，與斷口的宏觀形貌吻合。
圖 5 斷口SEM形貌
對斷口表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，分析位置如圖4所示，分析結(jié)果如表4所示。由表4可知：斷口表面以Fe、O元素為主，未見腐蝕性元素。
Table 4. 斷口腐蝕產(chǎn)物的能譜分析結(jié)果
| 分析位置 | 質(zhì)量分數(shù) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Fe | O | C | Si | Mn | Cr | |
| A區(qū) | 92.0 | 3.6 | 3.7 | 0.1 | 0.5 | - |
| B區(qū) | 92.5 | 1.8 | 4.9 | 0.2 | 0.3 | 0.3 |
| C區(qū) | 63.1 | 31.6 | 4.3 | 0.2 | 0.9 | - |
1.4 金相檢驗
依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》，對角焊縫接頭進行金相檢驗，結(jié)果如圖6，7所示。由圖6，7可知：筒體母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，接管母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，焊縫區(qū)呈現(xiàn)粗大的樹枝晶組織，熱影響區(qū)具有明顯的粗晶區(qū)。
圖 6 筒體側(cè)顯微組織形貌
圖 7 接管側(cè)顯微組織形貌
角焊縫接頭右側(cè)焊趾部位可見一條微裂紋（見圖8），裂紋沿粗晶區(qū)開裂，以穿晶形式擴展（見圖9）。沿截面向裂紋左側(cè)觀察，發(fā)現(xiàn)接管側(cè)熱影響區(qū)的寬度遠超正常的管-板角接接頭熱影響區(qū)的寬度，甚至遠離角焊縫的接管母材組織也發(fā)生了相變，由正常的鐵素體+珠光體完全變成了魏氏組織，且越接近接角焊縫，原奧氏體晶粒度越大（見圖10）。
圖 8 角焊縫接頭右側(cè)焊趾部位微觀形貌
圖 9 裂紋的微觀形貌
圖 10 角焊縫下側(cè)接管顯微組織形貌
2. 綜合分析
儲氣罐筒體和接管材料的化學成分符合相關標準。宏觀斷口表面平齊，無明顯塑性變形痕跡，具有脆性斷裂特征。斷口上可見清晰的解理臺階，呈脆性解理開裂特征，故確定儲氣罐角焊縫發(fā)生了脆性開裂。
焊接接頭存在未熔合缺陷，但起裂點不在該缺陷處，說明開裂并非因未熔合缺陷引起。筒體母材組織正常，由鐵素體和珠光體組成，筒體側(cè)熱影響區(qū)由熔合區(qū)、粗晶區(qū)、細晶區(qū)組成，接管側(cè)熱影響區(qū)組織與筒體側(cè)熱影響區(qū)組織形態(tài)無明顯差異，接管母材組織正常，同樣由鐵素體和珠光體組成。但接管側(cè)熱影響區(qū)的寬度遠超正常管-板角接接頭熱影響區(qū)的寬度，靠近角焊縫接管組織的鐵素體+珠光體形態(tài)完全消失，且沿壁厚方向，整個截面完全呈魏氏組織形態(tài)。焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)形成魏氏組織，符合冷卻轉(zhuǎn)變規(guī)律[5]，但是接管整個截面均形成了魏氏組織，說明接管在焊接過程中發(fā)生了嚴重過熱。魏氏組織是碳鋼或合金鋼過熱相變后經(jīng)冷卻形成的組織，是鋼的一種過熱缺陷組織。魏氏組織會導致鋼的力學性能，特別是沖擊韌性和塑性顯著降低，并可提高鋼的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度，增加鋼發(fā)生脆性斷裂的敏感性[6-8]。
脆性斷裂主要分為低溫脆裂和腐蝕環(huán)境脆裂。能譜分析結(jié)果顯示，貫穿的裂紋面上除Fe、O元素外，無其他腐蝕性元素，說明開裂與腐蝕環(huán)境無關。根據(jù)委托方提供的信息可知，該儲氣罐開裂泄漏時正是冬季雨雪天氣，環(huán)境溫度普遍低于0 ℃。在低溫環(huán)境下焊接接頭韌性進一步降低，在焊接殘余應力和工作應力的作用下，焊縫近熔合線處開始萌生裂紋，隨著時間的推移，裂紋會優(yōu)先在熱影響區(qū)擴展交匯，逐漸延伸至接管和筒體兩側(cè)，由于接管和筒體母材韌性較好，裂紋擴展速率降低，直至裂紋中止。
3. 結(jié)論與建議
（1）由于焊接熱輸入量過大，焊縫出現(xiàn)粗大的枝晶組織，且入口接管側(cè)母材嚴重過熱，組織相變形成魏氏組織，降低了角焊縫接頭的韌性，在焊接殘余應力和工作應力的共同作用下，焊縫近熔合線處萌生了微裂紋，裂紋優(yōu)先在熱影響區(qū)擴展，最終導致儲氣罐焊縫發(fā)生了脆性開裂。
（2）建議在儲氣罐制造及維修過程中，嚴格執(zhí)行NB/T 47014—2023 《承壓設備焊接工藝評定要求》標準，控制熱輸入量，減少過熱組織，避免產(chǎn)生焊接缺陷。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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