分享：某儲(chǔ)氣罐角焊縫開(kāi)裂原因

焊接裂紋是在焊接應(yīng)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(lái)，隨著機(jī)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(lèi)繁多，產(chǎn)生的原因各不相同。有些焊接裂紋會(huì)在焊后立即產(chǎn)生，有些焊接裂紋則可能在焊后一段時(shí)間才產(chǎn)生，也有些焊接裂紋是焊接結(jié)構(gòu)在服役過(guò)程中，在外界條件誘導(dǎo)下產(chǎn)生的，因此預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生較困難[2-4]。 

某公司新投入使用的儲(chǔ)氣罐使用不足1 a即發(fā)生開(kāi)裂泄漏。經(jīng)檢查，漏點(diǎn)位于筒體與進(jìn)氣接管的位置。該儲(chǔ)氣罐筒體材料為Q345R鋼，規(guī)格為2 000 mm×12 mm（外徑×壁厚），設(shè)計(jì)壓力為1.58 MPa，設(shè)計(jì)溫度為50 ℃，容積為12 m3，工作介質(zhì)為空氣、氮?dú)?、氬氣；接管材料?0鋼，規(guī)格為89 mm×6 mm（外徑×壁厚），執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 8163—2018 《輸送流體用無(wú)縫鋼管》。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)儲(chǔ)氣罐開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析，以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

將漏點(diǎn)附近的防腐漆去除，觀察儲(chǔ)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(kāi)裂，除少量銹跡外，未見(jiàn)異常腐蝕產(chǎn)物。 

圖  1  儲(chǔ)氣罐外部宏觀形貌

沿角焊縫將裂紋完整切取，沿軸線方向觀察儲(chǔ)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(jiàn)兩條獨(dú)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(cè)，裂紋起源于焊縫區(qū)，并分別向筒體和接管兩側(cè)擴(kuò)展。 

圖  2  儲(chǔ)氣罐內(nèi)部宏觀形貌

在裂紋附近取角焊縫接頭進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)，按GB/T 6417.1—2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類(lèi)及說(shuō)明》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，角焊縫接頭存在未熔合缺陷（見(jiàn)圖3）。 

圖  3  角焊縫接頭宏觀形貌

將貫穿裂紋打開(kāi)，表面可見(jiàn)紅棕色腐蝕產(chǎn)物，清洗后觀察，斷口表面平齊，無(wú)明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征（見(jiàn)圖4）。 

圖  4  斷口的宏觀形貌

1.2   化學(xué)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(cè)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(duì)儲(chǔ)氣罐筒體、接管及焊縫的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1~3所示。由表1~3可知：儲(chǔ)氣罐筒體的化學(xué)成分符合GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》對(duì)Q345R鋼的要求；接管的化學(xué)成分符合GB/T 8163—2018對(duì)20鋼的要求；焊縫的化學(xué)成分符合GB/T 5117—2012 《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》對(duì)E5015鋼的要求。 

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(jiàn)清晰的解理臺(tái)階，呈典型的脆性開(kāi)裂特征，與斷口的宏觀形貌吻合。 

圖  5  斷口SEM形貌

對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)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(jiàn)腐蝕性元素。 

1.4   金相檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)角焊縫接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)，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(shù)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(jiàn)一條微裂紋（見(jiàn)圖8），裂紋沿粗晶區(qū)開(kāi)裂，以穿晶形式擴(kuò)展（見(jiàn)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(yuǎn)超正常的管-板角接接頭熱影響區(qū)的寬度，甚至遠(yuǎn)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(jiàn)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(chǔ)氣罐筒體和接管材料的化學(xué)成分符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。宏觀斷口表面平齊，無(wú)明顯塑性變形痕跡，具有脆性斷裂特征。斷口上可見(jiàn)清晰的解理臺(tái)階，呈脆性解理開(kāi)裂特征，故確定儲(chǔ)氣罐角焊縫發(fā)生了脆性開(kāi)裂。 

焊接接頭存在未熔合缺陷，但起裂點(diǎn)不在該缺陷處，說(shuō)明開(kāi)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(xì)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(wú)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(yuǎn)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(gè)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(gè)截面均形成了魏氏組織，說(shuō)明接管在焊接過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重過(guò)熱。魏氏組織是碳鋼或合金鋼過(guò)熱相變后經(jīng)冷卻形成的組織，是鋼的一種過(guò)熱缺陷組織。魏氏組織會(huì)導(dǎo)致鋼的力學(xué)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(wú)其他腐蝕性元素，說(shuō)明開(kāi)裂與腐蝕環(huán)境無(wú)關(guān)。根據(jù)委托方提供的信息可知，該儲(chǔ)氣罐開(kāi)裂泄漏時(shí)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(jìn)一步降低，在焊接殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力的作用下，焊縫近熔合線處開(kāi)始萌生裂紋，隨著時(shí)間的推移，裂紋會(huì)優(yōu)先在熱影響區(qū)擴(kuò)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(kuò)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(guò)大，焊縫出現(xiàn)粗大的枝晶組織，且入口接管側(cè)母材嚴(yán)重過(guò)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(yīng)力和工作應(yīng)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(kuò)展，最終導(dǎo)致儲(chǔ)氣罐焊縫發(fā)生了脆性開(kāi)裂。 

（2）建議在儲(chǔ)氣罐制造及維修過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行NB/T 47014—2023 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定要求》標(biāo)準(zhǔn)，控制熱輸入量，減少過(guò)熱組織，避免產(chǎn)生焊接缺陷。

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