燃發(fā)器系統(tǒng)異徑管質(zhì)量問題技術(shù)歸零報(bào)告

王彥飛 劉 宇 田春雨

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074）

1 問題概述

2011 年11 月，該單位對(duì)預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)進(jìn)行了改建和擴(kuò)建，不僅對(duì)原有2#工位燃發(fā)器管路系統(tǒng)進(jìn)行了改造，而且新增了3#工位燃發(fā)器管路系統(tǒng)。項(xiàng)目完成后，2012 年6 月成功進(jìn)行了燃發(fā)器點(diǎn)火試驗(yàn)，并與蒸汽管路配合進(jìn)行了2 臺(tái)次的200s 長(zhǎng)程點(diǎn)火試驗(yàn)，試驗(yàn)成功。之后預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)只進(jìn)行過幾次小單元測(cè)試，一直未進(jìn)行過點(diǎn)火試驗(yàn)。

航天某所按照六院型號(hào)試驗(yàn)計(jì)劃安排，XX-XXX 發(fā)動(dòng)機(jī)將于2018 年6—7 月進(jìn)行4 臺(tái)次燃發(fā)器點(diǎn)火試驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能考核。2018 年3 月10 日，航天某所試驗(yàn)事業(yè)部人員在進(jìn)行B 套酒精系統(tǒng)氣密性檢查，當(dāng)酒精容器增壓至0.2MPa 時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員聽見有漏氣聲，隨即停止增壓，對(duì)酒精系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確認(rèn)漏點(diǎn)位于B 套酒精容器出液口處異徑管，該異徑管外壁存在長(zhǎng)約12mm 的裂紋，由此引起漏氣問題發(fā)現(xiàn)后，航天某所通知該單位，該單位技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)同試驗(yàn)事業(yè)部人員進(jìn)行了全面檢查，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中還存在相同問題：1）氧氣源斷流閥出口處異徑管（Φ25mm×2.5mm/Φ14mm×2mm）存在寬約3mm 裂縫。2）B 套液氧容器放氣閥入口法蘭外表面點(diǎn)銹蝕。3）B 套氮?dú)獯党鞴苈酚幸惶幃悘焦芎途凭萜鞣艢忾y出口處異徑管（Φ25mm×2.5mm/Φ14mm×2mm）外表面有點(diǎn)銹蝕。

2 故障定位

根據(jù)管路制作、安裝流程，建立了異徑管開裂故障樹，通過對(duì)異徑管開裂故障樹的底事件一一進(jìn)行排查，最終定位異徑管開裂的原因?yàn)椴牧喜缓细瘛?/p>

異徑管開裂故障樹如圖1 所示[2]。

圖1 異徑管開裂故障樹

2.1 異徑管設(shè)計(jì)圖紙不合理排除

從設(shè)計(jì)角度來說，所有承壓類管件的設(shè)計(jì)圖紙都經(jīng)過應(yīng)力計(jì)算，必要時(shí)設(shè)計(jì)圖紙配備詳細(xì)的計(jì)算書。

對(duì)異徑管，可采用下式計(jì)算理論壁厚，如公式（1）所示。

式中：S1t—異徑管理論最小壁厚，mm；P—管道內(nèi)壓力，MPa。[σ]t—材料許用應(yīng)力（t代表設(shè)計(jì)溫度，即設(shè)計(jì)溫度下的材料需用應(yīng)力），MPa。φ—焊縫系數(shù)，無量綱單位。Dn—最小壁厚處內(nèi)徑，mm。θ—圓錐頂角的1/2。注：θ不得大于30°。

根據(jù)式（1），異徑管的大頭端要求壁厚更大，所以Dn=20mm。該例中，θ=8，P=5MPa，[σ]t=137MPa（06Cr19Ni10）[1]，不銹鋼焊接焊縫系數(shù)φ=1；所以：

考慮腐蝕余量和負(fù)偏差，材料許用厚度[S]=1.143S1t=0.4213mm，遠(yuǎn)小于2.5mm。從管理層面來說，根據(jù)該單位的設(shè)計(jì)管理流程，工業(yè)管道工程相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙須經(jīng)過設(shè)計(jì)、校核、審核三級(jí)簽署。綜合以上兩點(diǎn)，異徑管設(shè)計(jì)圖紙不合理排除。

2.2 材料存在初始缺陷排除

預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)根據(jù)工業(yè)管道分級(jí)確定了各種管路的探傷比例。

在材料存在初始缺陷（如氣孔、裂紋、夾渣等）情況下，異徑管加工完成后，在初始缺陷和過大內(nèi)應(yīng)力的雙重作用下易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，且開裂異徑管大部分為100%探傷比例范疇，原材料在加工、焊接、射線探傷過程都都未發(fā)現(xiàn)任何缺陷，預(yù)抽真空所有射線探傷底片都已搜集到，具體可查（Ⅰ級(jí)底片85%，Ⅱ級(jí)底片15%）。材料初始缺陷排除。

2.3 材料成分超標(biāo)確定

由于該單位的工作性質(zhì)，很難實(shí)現(xiàn)全材料復(fù)檢，所以只對(duì)一定批量的材料進(jìn)行復(fù)檢。由于項(xiàng)目工期緊，本開裂異徑管原材料為臨急小批量采購(gòu)（φ40mm、φ50mm、φ60mm、φ70mm 棒料各2 件，已全部用于預(yù)抽真空燃發(fā)器供應(yīng)系統(tǒng)，無余量），且材料從該單位的合格供方訂貨，所以未進(jìn)行材料復(fù)驗(yàn)。異徑管開裂后，對(duì)其進(jìn)行了元素成分分析，除此之外，還對(duì)該項(xiàng)目所有異徑管材料進(jìn)行了光譜分析。通過以上分析得出，異徑管材料中的C 含量超標(biāo)50%（平均），Mn 含量超標(biāo)20%（平均）。C 可因原子間隙強(qiáng)化而提高不銹鋼的強(qiáng)度，同時(shí)是沃斯田鐵相的安定元素，但因敏化的影響，而有局部腐蝕現(xiàn)象（晶間腐蝕），因此以腐蝕觀點(diǎn)來看，宜降低含碳量（0.03%以下）。錳可以代替鎳。錳是奧氏體形成的元素，它能抑制奧氏體的分解，使高溫形成的奧氏體組織保持在室溫。錳穩(wěn)定奧氏體的作用為鎳的1/2，2%的錳可以代替1%的鎳。含錳鋼具有冷加工硬化效應(yīng)顯著、耐磨性高的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是對(duì)晶間腐蝕很敏感，并且不能通過加鈦和鈮來消除晶間腐蝕。因此，材料中的C 和Mn 含量超標(biāo)導(dǎo)致較嚴(yán)重晶間腐蝕，是異徑管開裂的主要原因。另外，材料中的C 和Mn 含量超標(biāo)，在潮濕的環(huán)境下不銹鋼表面易產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

2.4 材料金相組織不合理（包括焊縫區(qū)及熱影響區(qū)）排除

異徑管原材料為奧氏體不銹鋼固熔料，因此，母材為金相相對(duì)均一的奧氏體，其中的Cr、Ni 含量比較均一，裂紋敏感性相對(duì)較差。

眾所周知， 焊縫區(qū)是焊接時(shí)在電弧的攪拌作用下， 填充金屬與母材熔化后均勻混合而成的，焊縫區(qū)凝固時(shí)首先析出δ—鐵素體， 然后通過占固態(tài)轉(zhuǎn)變形成奧氏體，由于焊接的快速冷卻過程，部分富Cr 貧Ni 的δ—鐵素體晶核因來不及轉(zhuǎn)變被留下來， 形成所謂的骨架狀或蠕蟲狀δ—鐵素體+柱狀?yuàn)W氏體雙相組織，這樣形成的δ—鐵素體粗大且完整。

與焊縫區(qū)相反， 母材受熱溫度在1150℃以下的熱影響區(qū)中， 除了少數(shù)晶界上以外， 沒有δ—鐵素體析出， 主要是通過過熱長(zhǎng)大和再結(jié)晶等使原奧氏體晶粒大小發(fā)生變化。

對(duì)于熱影響區(qū)，它雖然窄小， 但組織和成分在該處發(fā)生了急驟變化，且由于結(jié)晶機(jī)理的原因，熱影響區(qū)Cr、Ni 含量相對(duì)較少，是焊接中公認(rèn)的最不均勻與最薄弱區(qū)。因此在其他條件一樣的情況下，焊縫的熱影響區(qū)更易產(chǎn)生晶間腐蝕。

焊接熱影響區(qū)不可避免，其是導(dǎo)致異徑管開裂誘因，但是不是主要原因。從其余焊縫熱影響區(qū)未產(chǎn)生開裂也印證了這一點(diǎn)，且0Cr18Ni9 低碳不銹鋼焊接無須熱處理經(jīng)過焊接工藝評(píng)定，材料金相組織不合理（包括焊縫區(qū)及熱影響區(qū)）排除。

2.5 加工工藝不合理排除

異徑管加工方法：縮徑/擴(kuò)徑壓制、沖壓成型、切削加工三種?？s徑/擴(kuò)徑壓制、沖壓成型效率高、成本低、金相組織紋理完整，但是加工偏差大，切削加工效率低、成本高、金相組織紋理不完整，但是加工靈活，加工偏差小。各有優(yōu)缺點(diǎn)。以上三種加工方法都經(jīng)過市場(chǎng)檢驗(yàn)，加工工藝不合理排除。

2.6 焊接工藝不合理排除

所有承壓類焊縫焊接前應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，并經(jīng)具有相關(guān)資質(zhì)的單位評(píng)定合格，焊接工藝評(píng)定符合《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》JB4708-2000 的要求。施工前根據(jù)焊接工藝評(píng)定制定焊接工藝卡，施工中嚴(yán)格按焊接工藝卡進(jìn)行焊接。

2.7 焊接環(huán)境不符合要求排除

焊接的環(huán)境溫度必須保證焊件的焊接溫度和焊工技能不受影響。環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)符合《壓力管道規(guī)范－工業(yè)管道》GB/T20801.4-2006 第8 章8.2.1 的規(guī)定采取保溫措施。預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)施工時(shí)間為2011 年10 月—2013年5 月，施工地點(diǎn)為XX-XXX 燃發(fā)器系統(tǒng)東側(cè)廠房，雖屬冬季，但廠房能有暖氣，保證焊接環(huán)境溫度為0℃以上。

焊接時(shí)，焊接環(huán)境應(yīng)符合《壓力管道規(guī)范－工業(yè)管道》GB/T20801.4-2006 的規(guī)定，手工氬弧焊風(fēng)速應(yīng)不超過8m/s，相對(duì)濕度應(yīng)不大于90%。預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)施工地點(diǎn)為某燃發(fā)器系統(tǒng)東側(cè)廠房，因此，焊縫焊接環(huán)境的風(fēng)速不會(huì)超過1m/s，冬季室內(nèi)相對(duì)濕度不會(huì)大于60%。

2.8 清洗工藝不符合要求排除

焊接完成后，對(duì)管路進(jìn)行酸洗鈍化，酸液為5% 的HF，30%的HNO3，浸泡2h，無法浸泡的焊口涂抹不銹鋼酸洗膏，鈍化5h。酸洗鈍化后用氯離子含量小于0.025‰的潔凈水沖洗殘留酸液。清洗后使用酒精拉膛清洗。該清洗工藝已經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，清洗工藝不符合要求排除。

2.9 安裝應(yīng)力過大排除

按照《壓力管道規(guī)范－工業(yè)管道》GB20801-2006 標(biāo)準(zhǔn)要求，除設(shè)計(jì)有預(yù)拉伸或預(yù)壓縮的要求外，管道裝配和安裝時(shí)，不能采用強(qiáng)力對(duì)接、加偏墊或加多層墊等方法來消除接頭端面間的空隙、偏斜、錯(cuò)口或不同心等缺陷。由于禁止采用任何扭曲方法進(jìn)行組對(duì)，因此由安裝問題產(chǎn)生的異徑管安裝應(yīng)力幾乎為零。管路和電磁閥等閥件的自重產(chǎn)生的安裝應(yīng)力十分有限。安裝應(yīng)力為宏觀應(yīng)力，與焊接產(chǎn)生的殘余微觀應(yīng)力比較，幾乎可以忽略。

2.10 試驗(yàn)工況不合理排除

該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)試驗(yàn)介質(zhì)為酒精、水、液氧、氧氣、氫氣，工作壓力為23MPa/5MPa，工作溫度為常溫。系統(tǒng)無惡劣的溫度（除液氧系統(tǒng)工作溫度：92K-常溫）和壓力工況，且開裂變徑不全為液氧系統(tǒng)。

氧氣作為強(qiáng)氧化劑，其是不銹鋼腐蝕的誘因，但是不是主要原因。從其余管件未發(fā)生銹蝕也印證了這一點(diǎn)，試驗(yàn)工況不合理排除。

3 機(jī)理分析

3.1 材料來源

管件是使用棒料經(jīng)機(jī)加工獲得的，棒料由北京方圓益德不銹鋼有限公司提供，當(dāng)時(shí)廠家在送貨時(shí)一并將材質(zhì)單送到，材質(zhì)單上有北京方圓益德不銹鋼有限公司的公章，以及上海其昌不銹鋼有限公司的質(zhì)檢專用章，經(jīng)該室技術(shù)人員檢查，材質(zhì)單無問題。

3.2 異徑管的破壞

通過材質(zhì)分析報(bào)告、光譜檢測(cè)報(bào)告和相關(guān)資料證明，C和Mn 元素超標(biāo)增加了不銹鋼材料的脆硬性，減少了晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕對(duì)材料的影響，是此次質(zhì)量問題的主要原因。

3.2.1 晶間腐蝕

晶間腐蝕是指在某些環(huán)境中，晶界的溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒本身的溶解速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生沿晶界進(jìn)行的選擇性局部腐蝕。貧鉻理論是奧氏體不銹鋼晶間腐蝕主要理論。不銹鋼中碳在奧氏體里的固溶度隨著溫度的升高而增加，當(dāng)500℃～700℃時(shí)，1Cr18Ni9 鋼中碳在奧氏體里的平均固溶度不超過0.01%。奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理快速冷卻后，奧氏體中的碳處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)這種鋼在敏華溫度為427℃～816℃受熱時(shí)，奧氏體中過飽和的碳會(huì)迅速地向晶界擴(kuò)散，在晶界上，碳消耗了晶界周圍的鉻，與鉻形成鉻的碳化物，由于鉻的擴(kuò)散速度太慢而得不到及時(shí)補(bǔ)充，結(jié)果在晶界周圍形成嚴(yán)重的貧鉻區(qū)。貧鉻區(qū)的含鉻量低于9.28%，即低于鈍化所需要的含鉻量。貧鉻區(qū)和晶粒本身的電化學(xué)性能的差異，使貧鉻區(qū)（陽極）和處于鈍化態(tài)的基體（陰極）之間建立起一個(gè)具有很大電位差的活化-鈍化電池。貧鉻區(qū)的小陽極和基體的大陰極構(gòu)成腐蝕電池，使貧鉻區(qū)受到晶間腐蝕。同樣，由于晶界區(qū)析出σ 相而引起的晶界貧鉻區(qū)，也可用貧鉻理論來進(jìn)行解釋。由于焊縫的結(jié)晶機(jī)理可知，熱影響區(qū)Cr、Ni 含量相對(duì)較少，是焊接中公認(rèn)的最不均勻與最薄弱區(qū)。因此熱影響區(qū)的晶間腐蝕也最嚴(yán)重。

3.2.2 應(yīng)力腐蝕

材料靜應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。就應(yīng)力腐蝕的機(jī)理來說，目前尚處于研討階段。對(duì)于各種不銹鋼-環(huán)境體系，目前就有許多應(yīng)力腐蝕理論，其中，主要的解釋學(xué)說有電化學(xué)陽極溶解理論、氫脆理論、鈍化膜破理論、吸附理論等，這些理論帶有不同的側(cè)重點(diǎn)，只能解釋特定環(huán)境介質(zhì)下的應(yīng)力腐蝕開裂。但對(duì)于應(yīng)力腐蝕發(fā)生的機(jī)理，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為：在較大的應(yīng)力作用下，金屬材料的原子處于不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，在特定的腐蝕介質(zhì)作用下，原子容易失去電子而使材料遭受腐蝕，進(jìn)而發(fā)生脆裂，即產(chǎn)生微裂紋；由于微裂紋的應(yīng)力集中效應(yīng)，使材料的脆裂快速擴(kuò)大，最終導(dǎo)致材料斷裂。焊接時(shí)，焊縫區(qū)的溫度是很高的，熱脹的時(shí)候熱影響區(qū)就對(duì)焊縫區(qū)有一個(gè)擠壓的力。而當(dāng)焊縫區(qū)冷卻后，因?yàn)槔鋮s后溫差遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有施焊時(shí)那么大，所以總的來說焊縫區(qū)是受壓的。對(duì)一塊板來說，其內(nèi)力肯定是自相平衡的，所以熱影響區(qū)是受拉的。由于應(yīng)力腐蝕對(duì)拉應(yīng)力最敏感，因此受拉應(yīng)力的焊縫熱影響區(qū)的應(yīng)力腐蝕最嚴(yán)重。

3.2.3 異徑管開裂位置分析

通過以上對(duì)晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的分析，受焊接的影響，焊縫熱影響區(qū)的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕最嚴(yán)重，因此，異徑管熱影響區(qū)應(yīng)首先產(chǎn)生裂紋。異徑管實(shí)際開裂位置都發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)，分析結(jié)論與實(shí)際情況完全吻合。

3.3 材料復(fù)檢工藝缺陷

預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)項(xiàng)目材料和設(shè)備，供貨方全部為該單位的合格供方。當(dāng)時(shí)項(xiàng)目工期比較緊，在施工過程中，由于漏訂、更改等原因，導(dǎo)致異徑管數(shù)量不夠。我方通過購(gòu)買棒料，非標(biāo)加工的方法補(bǔ)齊。在材料到貨后，對(duì)材料進(jìn)行了簡(jiǎn)單驗(yàn)收后，開始進(jìn)行安裝工作。這就出現(xiàn)了材質(zhì)控制方面的薄弱環(huán)節(jié)。

4 采取的措施及驗(yàn)證

根據(jù)本次問題的分析和定位，為了解決問題，提高試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性，采取如下整改措施：1）對(duì)存在損傷的管件進(jìn)行統(tǒng)一更換，新購(gòu)置的管件供貨商必須提供合格證、相關(guān)質(zhì)量證明材料。2）更換管件材料到貨后，截取部分材料送到第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)（159 廠）進(jìn)行材料材質(zhì)檢驗(yàn)，檢測(cè)報(bào)告結(jié)果均符合GB1220—92 要求。3）由于該問題可能導(dǎo)致多余物污染試驗(yàn)系統(tǒng)，為了確保試驗(yàn)系統(tǒng)可靠，對(duì)預(yù)抽真空燃發(fā)器系統(tǒng)的工藝管路、容器等進(jìn)行全面清洗，并通過航天某所人員檢驗(yàn)合格后進(jìn)行安裝復(fù)位。4）管路、閥門安裝復(fù)位后，進(jìn)行嚴(yán)格的氣密試驗(yàn)，保證不出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。5）2018 年5月，燃發(fā)器成功進(jìn)行了單機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)調(diào)試和雙機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)調(diào)試，這充分驗(yàn)證了我方采取的整改措施有效。

5 結(jié)論

預(yù)抽真空系統(tǒng)管路異徑管因材質(zhì)問題出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，經(jīng)過材質(zhì)分析，確定材料材質(zhì)不合格。對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)的所有不合格的異徑管及有銹點(diǎn)的法蘭進(jìn)行了更換，新的材料采取了渠道控制、材料復(fù)檢等手段，保證了新的材料無質(zhì)量問題。該問題定位準(zhǔn)確，采取措施有效，可以歸零。