陶 凱
(森松(江蘇)重工有限公司上海分公司,上海201323)
某多晶硅項(xiàng)目還原爐模塊經(jīng)工廠檢驗(yàn)合格后發(fā)貨,經(jīng)過(guò)近4 000 km陸路運(yùn)輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場(chǎng)后,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),此模塊共40條支管線,31號(hào)焊口開(kāi)裂,凸臺(tái)與管線采用支座式焊接,支座上開(kāi)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(tái)材料均為022Cr17Ni12Mo2,管子直徑168.3 mm,厚度3.4 mm;凸臺(tái)直徑33.4 mm,厚度4.55 mm。檢查發(fā)現(xiàn)裂紋沿焊趾處開(kāi)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
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(wú)碳化物析出[1]。
取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,采用臺(tái)式直讀光譜儀
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(duì)焊接接頭進(jìn)行維氏硬度檢測(cè),數(shù)據(jù)如表5所示。(型號(hào)SPECTRO MAXx)對(duì)接管外壁、內(nèi)壁及凸臺(tái)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(tái)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
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(jiàn)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(jiàn)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(duì)管子母材沒(méi)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。
圖4 起源區(qū)形貌Fig.4 Crack source morphology
接管上凸臺(tái)開(kāi)V型單邊坡口,凸臺(tái)厚度較厚,而管壁較薄,與接管為全焊透結(jié)構(gòu)。觀察開(kāi)裂的焊接接頭外觀,與接管連接處的焊縫沒(méi)有圓滑過(guò)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(tái)焊縫有圓滑過(guò)渡,不易形成應(yīng)力集中。
凸臺(tái)焊縫較厚,而對(duì)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?,F(xiàn)場(chǎng)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(chē)后從江蘇經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途陸運(yùn)運(yùn)往新疆,路途遙遠(yuǎn),運(yùn)輸過(guò)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(guò)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(gè)閥,且支線凸臺(tái)處于管子單端固定),運(yùn)輸過(guò)程中往返晃動(dòng)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(shí)造成開(kāi)裂[3-4]。如果管支線處的間隙過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸過(guò)程中管支線搖晃,而進(jìn)行強(qiáng)力固定,又會(huì)增加管子凸臺(tái)焊縫處的應(yīng)力。所以此處間隙過(guò)大時(shí),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(guò)渡,而這條焊縫在檢驗(yàn)時(shí)漏檢,沒(méi)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。
(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(gè)管壁。
(2)增加管子壁厚,支線固定時(shí)防止固定過(guò)松,同時(shí)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(guò)渡。