某模塊接管焊口疲勞失效分析

陶 凱

（森松（江蘇）重工有限公司上海分公司，上海201323）

0 前言

某多晶硅項目還原爐模塊經(jīng)工廠檢驗(yàn)合格后發(fā)貨，經(jīng)過近4 000 km陸路運(yùn)輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場后，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，此模塊共40條支管線，31號焊口開裂，凸臺與管線采用支座式焊接，支座上開V型單邊坡口，坡口如圖1a所示。采用GTAW焊，填充采用φ2.4 mm的ER316L焊絲，保護(hù)氣體為99.99%氬氣，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding parameters

管子及凸臺材料均為022Cr17Ni12Mo2，管子直徑168.3 mm，厚度3.4 mm；凸臺直徑33.4 mm，厚度4.55 mm。檢查發(fā)現(xiàn)裂紋沿焊趾處開裂，外觀形貌如圖1所示。為了查明失效原因，切割此處接管并進(jìn)行理化分析。

圖1 坡口及管子裂紋示意Fig.1 Pictures of the joint groove and pipe crack

圖2 裂紋處金相照片F(xiàn)ig.2 Microstructure of the crack

1 理化試驗(yàn)

1.1 金相檢驗(yàn)

由圖1可知，裂紋沿著管子的焊縫邊緣處。將切割后的管子沿裂紋處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，將樣品打磨拋光用10%草酸電解腐蝕后，在金相顯微鏡下放大200倍觀察組織，組織照片如圖2所示，金相結(jié)果顯示組織為奧氏體組織。裂紋起源于管子外壁焊趾處，沿著管外壁往內(nèi)壁擴(kuò)展。裂紋為穿晶裂紋，裂紋邊緣組織晶界清晰，無碳化物析出[1]。

1.2 化學(xué)成分分析

取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用臺式直讀光譜儀

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

在裂紋附近處縱向取樣進(jìn)行室溫拉伸性能試驗(yàn)，拉伸試樣寬度12.5 mm，厚度按原管壁厚，按照GB/T228.1[2]試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對焊接接頭進(jìn)行維氏硬度檢測，數(shù)據(jù)如表5所示。（型號SPECTRO MAXx）對接管外壁、內(nèi)壁及凸臺進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2和表3所示。結(jié)果顯示，其成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 管子化學(xué)成分Table 2 Chemical requirements of the pipe %

表3 凸臺化學(xué)成分Table 3 Chemical requirements of the convex coupling %

表4 管子拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Tensile test result of the pipe

表5 焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Hardness test result of the joint

1.4 斷口分析

將斷口用酒精清洗、干燥后，使用掃描電鏡進(jìn)行觀察，斷口宏觀形貌如圖3所示。觀察斷口可知，此處斷裂起源于管外壁，其起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)及擴(kuò)展方向如圖中箭頭所示。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of the fracture

分別放大觀察起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。起源區(qū)放大后照片如圖4所示，起裂源附件表面可見較多微小裂紋。擴(kuò)展區(qū)放大后觀察形貌如圖5所示，微觀下可見明顯的疲勞輝紋。瞬斷區(qū)斷口粗糙，局部有磨損，斷口微觀形貌為疲勞斷口，如圖6所示。

由理化試驗(yàn)結(jié)果可知，有裂紋的管子的化學(xué)成分、拉伸試驗(yàn)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，焊接熱循環(huán)對管子母材沒有惡劣影響，管子母材金相組織為正常奧氏體組織。斷口掃描電鏡顯示，此貫穿裂紋由管外表面焊趾處產(chǎn)生，向管內(nèi)壁延伸，最終貫穿斷裂。

2 分析與討論

圖4 起源區(qū)形貌Fig.4 Crack source morphology

接管上凸臺開V型單邊坡口，凸臺厚度較厚，而管壁較薄，與接管為全焊透結(jié)構(gòu)。觀察開裂的焊接接頭外觀，與接管連接處的焊縫沒有圓滑過渡，局部位置的焊縫外表面與管子呈近90°直角，此焊縫焊趾處容易形成應(yīng)力集中，而其他接管凸臺焊縫有圓滑過渡，不易形成應(yīng)力集中。

凸臺焊縫較厚，而對應(yīng)管子較薄，加上接管焊趾處應(yīng)力集中，在此位置易萌生疲勞源。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)支線上端固定處存在一定間隙，如圖7所示。本模塊裝車后從江蘇經(jīng)過長途陸運(yùn)運(yùn)往新疆，路途遙遠(yuǎn)，運(yùn)輸過程中路面不平難免造成顛簸，同模塊上曾發(fā)現(xiàn)螺母在運(yùn)輸顛簸后掉落。運(yùn)輸過程中的顛簸加上模塊本身結(jié)構(gòu)原因（支線下端裝有2個閥，且支線凸臺處于管子單端固定），運(yùn)輸過程中往返晃動形成的載荷使得焊趾處萌生的裂紋向管內(nèi)壁擴(kuò)展，管壁較薄，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時造成開裂[3-4]。如果管支線處的間隙過大，會導(dǎo)致運(yùn)輸過程中管支線搖晃，而進(jìn)行強(qiáng)力固定，又會增加管子凸臺焊縫處的應(yīng)力。所以此處間隙過大時，應(yīng)增加墊塊進(jìn)行固定。

圖5 擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.5 Extended region morphology

圖6 最后斷裂區(qū)形貌Fig.6 Final fracture morphology

圖7 管線結(jié)構(gòu)Fig.7 Pipe structure sketch

其他管線處焊縫都有圓滑過渡，而這條焊縫在檢驗(yàn)時漏檢，沒有檢驗(yàn)焊縫外觀及進(jìn)行修磨，從而導(dǎo)致此焊縫焊趾處應(yīng)力集中，萌生裂紋源，隨之?dāng)U展，最終導(dǎo)致疲勞失效，與斷口分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

（1）該接管處失效機(jī)理為疲勞斷裂，起源于管外壁的焊趾處，穿透整個管壁。

（2）增加管子壁厚，支線固定時防止固定過松，同時禁止強(qiáng)力固定。

（3）加強(qiáng)檢驗(yàn)控制，特別是焊縫外觀的檢驗(yàn)，焊趾處要求圓滑過渡。