李 亮，聶向暉，劉迎來，豐振軍，許 彥

(1.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 陜西 西安 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司 北京 101100)

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有良好的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕性及焊接性，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、核反應(yīng)堆等重要工程結(jié)構(gòu)和機械裝備中，在其使用過程中經(jīng)常在高溫、高壓等苛刻條件下服役，并且常常承受交變載荷。這些結(jié)構(gòu)和裝備在高溫和疲勞的作用下，材料極易萌生裂紋并不斷擴展，最后引起泄露或爆炸，導(dǎo)致重大經(jīng)濟損失和人員傷亡等。因此，疲勞性能成為影響奧氏體不銹鋼高溫設(shè)備運行安全和使用壽命的關(guān)鍵因素。

一般而言，焊縫微觀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常是設(shè)備中較薄弱的部位。在工程應(yīng)用中，大量的焊接接頭失效事故是低周疲勞失效。本文對西三線某作業(yè)區(qū)高壓渦輪機組用316不銹鋼九級冷卻歧管焊接接頭開裂原因進行了分析，以預(yù)防該類失效事故的再次發(fā)生，保障設(shè)備安全運行。

1 冷卻歧管開裂概況

西三線某作業(yè)區(qū)技術(shù)人員在對某高壓渦輪機組進行例行檢查的過程中，發(fā)現(xiàn)部分九級冷卻歧管存在開裂現(xiàn)象，如圖1和圖2所示。隨后，該作業(yè)區(qū)技術(shù)人員采用目視及滲透的方法，對西三線4臺機組所涉及的109根Φ21 mm×2 mm九級冷卻歧管進行了全面檢查，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)共8根九級冷卻歧管發(fā)生了開裂失效。

根據(jù)西三線該作業(yè)區(qū)技術(shù)人員提供的現(xiàn)場資料，該批九級冷卻歧管中輸送介質(zhì)為空氣，運行溫度為122.8 ℃，運行壓力為254.2 kPa；該批九級冷卻歧管于6個月前投入使用，而其設(shè)計使用時間為6 a。為了確保西三線高壓渦輪機組高效、安全平穩(wěn)運行，有效控制運行風(fēng)險，抽取其中2根開裂的九級冷卻歧管對其產(chǎn)生開裂原因進行分析，該2根開裂的九級冷卻岐管編為1號和2號。

圖1 CC3401機組九級冷卻歧管開裂

圖2 CC3402機組九級冷卻歧管開裂

2 開裂的冷卻歧管試驗分析

2.1 宏觀分析

圖3為1號九級冷卻歧管樣品，開裂位置位于環(huán)焊縫焊趾靠近鋼管一側(cè)；圖4為2號九級冷卻歧管樣品，開裂位置位于環(huán)焊縫焊趾靠近法蘭一側(cè)。由圖3和圖4可知，1號和2號九級冷卻歧管均沿環(huán)焊縫焊趾處環(huán)向開裂，具有共同的開裂特征，因此僅抽取1號九級冷卻歧管(原編號為440084884)進行理化性能分析。圖5為1號九級冷卻歧管環(huán)焊縫開裂處的低倍斷口形貌。

圖3 沿焊趾處開裂的1號九級冷卻歧管(原編號440084884)

圖4 沿焊趾處開裂的2號九級冷卻歧管

圖5 1號九級冷卻歧管斷口低倍宏觀形貌(原編號440084884)

2.2 理化性能檢測

2.2.1 化學(xué)成分

從1號九級冷卻歧管樣品的管體上取樣，用ARL 4460直讀光譜儀，按照ASTM A751-14a標(biāo)準(zhǔn)，進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可見，管體材料(SS31603)的化學(xué)成分符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)對不銹鋼材料的要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2.2 拉伸性能

在1號九級冷卻歧管直管段截取全尺寸管體拉伸試樣，采用UTM 5305拉伸試驗機，按照ASTM A370-17標(biāo)準(zhǔn)，進行拉伸性能試驗，試驗結(jié)果見表2。由表2可見，管體材料(SS31603)的拉伸性能符合NB/T 47010—2017標(biāo)準(zhǔn)對不銹鋼材料的要求。

2.2.3 金相分析

在1號九級冷卻歧管環(huán)焊縫處截取金相試樣，采用MEF3A金相顯微鏡、OLS 4100激光共聚焦顯微鏡和Smartzoom5超景深數(shù)碼顯微鏡，按照ASTM E3-11、ASTM E45-13、ASTM E112-13標(biāo)準(zhǔn)對其進行金相分析，結(jié)果見表3和表4及圖6～圖9。

表2 拉伸性能試驗結(jié)果

表3 九級冷卻歧管管體金相評定結(jié)果

表4 九級冷卻歧管焊縫金相評定結(jié)果

圖6 母材組織

圖7 焊縫組織

圖8 熱影響區(qū)組織

圖9 焊縫低倍宏觀形貌

2.2.4 微觀形貌分析

在1號九級冷卻歧管開裂處，截取SEM斷口分析試樣，采用TESCAN VEGAⅡ掃描電子顯微鏡對其斷口形貌進行分析，結(jié)果如圖10～圖15所示。由掃描電鏡結(jié)果可知，九級冷卻歧管斷口存在清晰的疲勞裂紋源區(qū)(圖11和圖12)、疲勞裂紋擴展區(qū)(圖13和圖14)、疲勞裂紋瞬斷區(qū)(圖15)，呈現(xiàn)明顯的疲勞斷裂特征。

圖11 疲勞裂紋源區(qū)1

圖12 疲勞裂紋源區(qū)2

圖13 疲勞裂紋擴展區(qū)1

圖14 疲勞裂紋擴展區(qū)2

圖15 疲勞裂紋瞬斷區(qū)

3 綜合分析

由宏觀形貌分析結(jié)果可知，九級冷卻歧管開裂位置均位于環(huán)焊縫焊趾處。由理化檢驗結(jié)果可知，九級冷卻歧管的化學(xué)成分、拉伸性能均符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)的要求。由掃描電鏡分析結(jié)果可知，開裂斷口呈現(xiàn)明顯疲勞斷裂特征[1]：

1)斷口存在大量細小的、相互平行的、間距較為規(guī)則的疲勞輝紋。

2)斷口存在明顯的疲勞裂紋源區(qū)(圖11和圖12)、疲勞裂紋擴展區(qū)(圖13和圖14)、疲勞裂紋瞬斷區(qū)(圖15)。

3)疲勞輝紋中心的疲勞裂紋源區(qū)位于鋼管內(nèi)壁處，隨后裂紋向壁厚中心擴展，形成大量疲勞輝紋，最終疲勞裂紋在瞬斷區(qū)形成了不同尺寸的韌窩。

由圖1和圖2所示高壓渦輪機組結(jié)構(gòu)可知，九級冷卻歧管通過環(huán)焊縫與帶頸法蘭一同固定于高壓渦輪機組上，機組運行過程中，九級冷卻歧管隨之承受某一頻率的大幅振動。由圖7～圖9焊縫金相組織及低倍形貌的檢測結(jié)果可知，九級冷卻歧管與帶頸法蘭連接的環(huán)焊縫無焊接缺陷，焊接質(zhì)量較好。由此可見，導(dǎo)致九級冷卻歧管環(huán)焊縫疲勞開裂主要是由高壓渦輪機組產(chǎn)生的振動造成的。另外，根據(jù)該九級冷卻歧管的現(xiàn)場使用情況，其投入使用后僅6個月就發(fā)生了開裂失效，而其設(shè)計使用時間為6 a，因而其開裂失效屬于早起疲勞失效，說明該九級冷卻歧管使用過程中所受的振動載荷較大。此外，九級冷卻歧管壁厚較薄(2 mm)、剛度較低，環(huán)焊縫存在應(yīng)力集中、組織不均勻等因素，導(dǎo)致環(huán)焊縫成為較為薄弱的部位，尤其在焊趾和焊根處是疲勞薄弱點，極易萌發(fā)疲勞裂紋，并逐漸擴展，最終沿環(huán)向發(fā)生開裂[2-4]。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1)發(fā)生疲勞開裂的九級冷卻歧管材料的化學(xué)成分和管體拉伸性能均符合NB/T 47010—2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》要求。

2)受到高壓渦輪機組結(jié)構(gòu)限制，九級冷卻歧管通過環(huán)焊縫與帶頸法蘭固定于高壓渦輪機組上，并隨機組運行時承受某一頻率的大幅振動，導(dǎo)致九級冷卻歧管與帶頸法蘭連接環(huán)焊縫焊趾和焊根處發(fā)生了疲勞開裂。

4.2 建議

1)對機組結(jié)構(gòu)進行檢查，減少振動頻率和幅度。

2)增加九級冷卻歧管壁厚，防止歧管自身固有頻率與高壓渦輪機組振動頻率接近而產(chǎn)生共振。

3)對于新安裝的冷卻歧管，建議在冷卻歧管與帶頸法蘭焊接后，優(yōu)化焊接工藝，并進行合理的熱處理，消除連接處環(huán)焊縫殘余應(yīng)力，并進行滲透及射線檢測，排除存在超標(biāo)焊縫缺陷的冷卻歧管。