劉志華* 李 昱

（1.上海市寶山區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所 2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 概況

某公司T-607 乙烯球罐及其管線于2001 年設(shè)計完成，2002 年完成現(xiàn)場組裝并投入使用。2012 年8 月，該球罐罐頂引壓閥不銹鋼螺栓更換完成后，在進(jìn)行球罐氣密性試驗時發(fā)現(xiàn)，其頂部DN150 mm 的安全閥進(jìn)口管線有9 處泄漏現(xiàn)象。隨即對罐頂安全閥放空管線（DN150 mm） 的13 道 焊 縫（W1～W9，W14～W17）和氣相平衡管線（DN80 mm）的4 道焊縫（W10～W13）進(jìn)行滲透檢測，對其中3 道DN80 mm（W10～W12）和2 道DN150 mm（W4，W9）焊縫又進(jìn)行了射線檢測，最終確認(rèn)2 片PN5.0 DN150 mm（W1，W6）和5 片PN4.0 DN150 mm（W2，W3，W5，W7，W8）焊縫對接法蘭側(cè)存在沿焊縫方向分布的長短不一的裂紋，如圖1 所示。

該T-607 球罐的設(shè)計操作參數(shù)如下：設(shè)計壓力為2.16 MPa，工作壓力為1.71～1.95 MPa，設(shè)計溫度為-35 ℃，工作溫度為-32 ℃。

圖1 管道現(xiàn)場具體部位示意圖

安全閥進(jìn)口管線基本參數(shù)如下：管道編號為F-701-150/200，法蘭規(guī)格為2 片HG-20615 WN PN5.0 DN150 mm，5 片HG-20592 WNPN4.0 DN150 mm，管道規(guī)格為 168 mm×54 mm，法蘭材料為304 不銹鋼,管道材料為0Cr18Ni9。

為了了解該放空管安全閥焊縫法蘭側(cè)裂紋產(chǎn)生原因，防止類似情況再次發(fā)生，現(xiàn)場進(jìn)行取樣后需進(jìn)行進(jìn)一步分析。

1 管線、焊縫及法蘭材料的化學(xué)成分分析

為了驗證現(xiàn)場所用實(shí)際材料是否與原設(shè)計相符，材料化學(xué)成分是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍要求[1]，對三個部位（W9 無裂紋，W1，W8）的管線、焊縫及法蘭材料都進(jìn)行了化學(xué)成分分析，測試結(jié)果可見表1。

304 不銹鋼的含碳量應(yīng)小于0.08%，而測試結(jié)果中法蘭材料的碳含量高達(dá)0.12%～0.139%，超標(biāo)嚴(yán)重。

焊縫及管線材料的化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中焊縫材料的碳含量均低于0.08%，管線材料的碳含量均低于0.07%。

通過對比其他化學(xué)成分分析結(jié)果可以看到，法蘭材料中的硫、磷含量均高于焊縫及管線材料，而鉻、鎳含量均低于焊縫及管線材料。由此可見，無論是目前已發(fā)現(xiàn)裂紋的法蘭，還是暫未發(fā)現(xiàn)裂紋的法蘭，其所用材料的化學(xué)成分均不合格，皆未達(dá)到304 不銹鋼材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 焊縫法蘭側(cè)裂紋的宏觀形貌分析

本次取樣的法蘭及管道樣品如圖2，圖3 所示。從圖2，圖3 中可以看出，裂紋都發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)靠近法蘭側(cè)的母材上，裂紋呈單條型沿圓周方向擴(kuò)展。裂紋周圍及附近部位無明顯的外表面腐蝕和機(jī)械擦傷痕跡，焊縫及管子側(cè)母材上未發(fā)現(xiàn)裂紋性缺陷。最長的裂紋位于W1 部位，裂紋總長約80 mm。

圖2 W1法蘭及管子宏觀形貌照片

表1 管線、焊縫及法蘭材料化學(xué)成分實(shí)測值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖3 W8法蘭及管子宏觀形貌照片

綜上所述，W1，W8 裂紋發(fā)生部位具有相同性，即都在焊縫熱影響區(qū)法蘭側(cè)母材上。因此有必要對該處材料的金相組織及其裂紋擴(kuò)展途徑、特征進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3 焊縫法蘭側(cè)與焊縫管子側(cè)材料金相組織對比分析

對W1，W8，W9（無裂紋）焊縫兩側(cè)材料金相組織進(jìn)行對比分析，具體金相照片可見圖4～圖6。

圖4 為W1 焊縫兩側(cè)材料金相組織照片，從圖4中可以看到，管道的金相組織為奧氏體+孿晶，呈帶狀分布，這是因管道扎制過程造成的，組織均勻，晶界和晶格內(nèi)基本上沒有析出物。

法蘭側(cè)材料金相組織為奧氏體，晶粒粗大，晶界上分布大量碳化物，呈鏈狀分布，晶格內(nèi)也有碳化物析出。由于其為鍛件制造，因此并未出現(xiàn)帶狀組織。

圖5 為法蘭側(cè)焊縫熱影響區(qū)金相組織照片，從圖5 中可以看出，其外表面具有大量沿晶裂紋。晶界碳化物呈鏈狀分布，晶格內(nèi)彌散分布顆粒狀碳化物。

圖6 為焊縫法蘭側(cè)裂紋總形貌照片，從圖6 中可以看出，裂紋自外壁擴(kuò)展向內(nèi)壁發(fā)展，其擴(kuò)展途徑為沿晶裂紋。

綜上所述，相對于焊縫熱影響區(qū)法蘭側(cè)的金相組織而言，其管道側(cè)的金相組織晶粒度更粗大且不均勻，同時晶界上析出大量碳化物，呈鏈狀分布，晶內(nèi)彌散分布碳化物，這些特征大大降低了材料抗晶間腐蝕的性能，引起外壁晶間腐蝕裂紋向內(nèi)壁擴(kuò)展。從裂紋形貌特征分析，裂紋都是沿晶擴(kuò)展的。而管道側(cè)的金相組織正常，晶界和晶內(nèi)沒有析出物產(chǎn)生，因此具有較強(qiáng)的抗晶間腐蝕能力。

圖4 W1焊縫兩側(cè)材料金相組織照片

圖5 W1焊縫法蘭側(cè)材料金相組織照片

圖6 W1焊縫法蘭側(cè)裂紋沿厚度方向擴(kuò)展形貌

4 W1焊縫裂紋斷口微觀形貌分析與晶界組織對比微觀形貌分析

圖7 為裂紋打開后的斷口形貌照片，從圖7 中可以清楚地看到斷口呈脆性沿晶斷裂，晶粒呈現(xiàn)出“冰糖狀”特征，晶界上存在腐蝕產(chǎn)物。

圖7 裂紋斷口微觀形貌照片

圖8 為內(nèi)壁區(qū)域人為打開后的斷口形貌，從圖8中可以看到，斷口形貌并沒有圖7 所示的沿晶斷口。而從圖8 中可以看出，該區(qū)域為淺韌窩狀韌性斷裂。

圖9 為焊縫管道側(cè)金相組織晶界形狀，從圖9 中可以看出晶界上并沒有析出碳化物，晶界較為清晰。

圖10 為焊縫法蘭側(cè)金相組織晶界形狀，從圖10中可以看出晶界上析出大量碳化物，呈鏈狀分布，大部分碳化物經(jīng)侵蝕后已脫落。

根據(jù)上述分析以及裂紋形貌特征可以確認(rèn)，造成本次焊縫法蘭側(cè)裂紋系晶間型應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖8 內(nèi)壁區(qū)域人為打開后的裂紋斷口微觀形貌照片

圖9 裂紋斷口、管道側(cè)組織微觀形貌

圖10 焊縫法蘭側(cè)熱影響區(qū)組織微觀形貌

5 W1焊縫裂紋斷口腐蝕產(chǎn)物分析

為了了解晶間型應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因，對斷口腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了能譜分析，分析結(jié)果可見圖11。

圖11 裂紋斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析

從圖11 可知，腐蝕產(chǎn)物成分主要為硫和氯兩種元素，其中硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2.72%，氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，為1.5%。根據(jù)裂紋沿晶擴(kuò)展可以得知，裂紋產(chǎn)生的主要因素是硫化物引起的晶界型應(yīng)力腐蝕，氯化物則加速了裂紋擴(kuò)展。由此判斷，乙烯球罐區(qū)域的大氣環(huán)境中存在較多濕的硫化物，這些硫化物長期吸附在運(yùn)行的設(shè)備和管道外表面，最終導(dǎo)致其發(fā)生晶界型應(yīng)力腐蝕開裂。法蘭焊縫殘余應(yīng)力是造成本次焊縫熱影響區(qū)法蘭側(cè)開裂的主要原因。

圖12～圖15 分別是法蘭側(cè)和管道側(cè)晶界和晶格內(nèi)能譜分析情況（Wt 表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)，At 表示物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)），從中可以看出法蘭側(cè)晶界上碳元素含量明顯高于管道晶界的碳含量。

圖12 管子材料晶界元素能譜分析

6 結(jié)論

（1）根據(jù)放空管、焊縫及法蘭側(cè)材料化學(xué)成分分析測定，管道及焊縫中的化學(xué)成分符合相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；法蘭材料的含碳量超標(biāo)，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其含硫量、含磷量圖高，含鉻量、含鎳量較低。

圖13 管子材料晶界元素能譜分析

圖14 法蘭材料晶界元素能譜分析

圖15 法蘭材料晶界元素能譜分析

（2）本次焊縫熱影響區(qū)法蘭側(cè)裂紋為晶間型應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋擴(kuò)展的主要因素是大氣環(huán)境中含有較多的硫和氯。法蘭裂紋擴(kuò)展的內(nèi)在因素主要是法蘭材料晶界上析出了大量的碳化物，使材料晶間抗腐蝕性能大大下降。引起法蘭裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力因素主要是焊縫處的焊接殘余應(yīng)力。

（3）建議更換同一時間段內(nèi)的同一批法蘭元件。焊接時應(yīng)采用小電流焊接，同時元件入庫前要進(jìn)行金相組織測定，以免晶界上存在大量鏈狀碳化物導(dǎo)致其抗晶界腐蝕性能下降。