聞家歡*

（上海華誼建設(shè)有限公司）

0 引言

在運(yùn)行過程中，某公司煉油加氫裝置中某閥門發(fā)生了泄漏。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)，泄漏點(diǎn)位于閥體與法蘭的連接焊縫處，且該泄漏處存在一道裂紋。該閥門投入使用已有1年多，為了查明該裂紋產(chǎn)生的原因，消除裝置運(yùn)行安全隱患，對該閥門泄漏處的介質(zhì)進(jìn)行取樣，從而分析其失效原因，便避免今后發(fā)生類似情況。

該閥門是循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液缸沉筒液位計一次閥，閥門的工況及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 閥門工況及相關(guān)參數(shù)

該閥門為1類型閘閥，公稱壓力為15 MPa，法蘭和閥體之間的連接形式為承插式焊接。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.3《壓力管道規(guī)范》，該閥門的焊縫處壁厚不大于19 mm，故制造過程中未對焊縫進(jìn)行焊后熱處理。

1 承插焊閥門材料的化學(xué)成分分析

對閥門材料成分進(jìn)行實(shí)測分析，分析結(jié)果如表2所示。

表2 承插焊閥門化學(xué)成分實(shí)測值（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

由表2可知，該閥門的材料為低碳鋼，對照相應(yīng)的鋼號標(biāo)準(zhǔn)，該材料應(yīng)為20#鋼，選材符合標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

2 承插焊閥門裂紋宏觀形貌分析

對閥體和法蘭的承插焊縫處進(jìn)行著色滲透探傷后發(fā)現(xiàn)，泄漏處焊縫中心線上存在一條裂紋，該處也是焊縫收弧的位置，如圖1所示。

圖1 閥門焊縫處的裂紋

在焊縫處取樣，裂紋斷面如圖2所示，從圖2中可以看到，該焊縫存在未焊透缺陷。

圖2 承插焊縫裂紋斷面

3 試樣的金相組織

由于焊縫未進(jìn)行焊后熱處理，因此需要根據(jù)材料的金相組織來分析焊縫和母材的組織情況，金相試樣如圖3，圖4所示。

圖3 金相試樣

圖4 焊縫和母材的金相組織

從圖3可以清楚地看到焊縫和母材的分界線，且焊縫、熱影響區(qū)和根部未焊透也可以清晰看到。裂紋形貌為放射條紋，并存在垂直于裂紋擴(kuò)展方向的弧線條紋，斷口表面較光滑，因此初步可以判斷該裂紋是疲勞裂紋，裂紋源位于焊縫根部[2]。

從圖4的金相照片可以看到，母材和熱影響區(qū)的組織為鐵素體和珠光體，熱影響區(qū)的組織為魏氏組織，焊縫組織由網(wǎng)狀鐵素體、珠光體和上貝氏體組成。熱影響區(qū)（拋光態(tài)）還存在弧狀夾雜，這些夾雜對本次裂紋擴(kuò)展及斷裂影響較小，可不予考慮。母材的晶粒較細(xì)，應(yīng)該是受焊接后的冷卻速度影響，且未進(jìn)行焊后熱處理導(dǎo)致的。

4 裂紋斷口微觀形貌和腐蝕產(chǎn)物分析

將裂紋斷口打開后，在掃描電子顯微鏡下觀察其微觀特征，具體如圖5所示。

圖5 裂紋斷口微觀形貌

從圖5可以看到，疲勞輝紋斷口、斷面較為平坦，且附著腐蝕產(chǎn)物。裂紋尖端處開口型的平面應(yīng)變是形成該輝紋形貌的必要條件，因此可判斷該斷口屬于高應(yīng)力低周期疲勞斷口。

同時對斷口處的腐蝕產(chǎn)物元素進(jìn)行了能譜分析，其中S元素的含量較高，應(yīng)該是介質(zhì)通過裂紋縫隙進(jìn)入斷口導(dǎo)致的。其他化學(xué)元素的含量均正常，因此，可見裂紋產(chǎn)生且擴(kuò)展致泄漏的原因應(yīng)該是低周疲勞，而不是應(yīng)力腐蝕。

5 綜合分析

通過上述分析基本可以確認(rèn)該裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展是由疲勞導(dǎo)致的。該裂紋位于在閥門下部，由于閥門自重及管道的柔性，該部位應(yīng)該受到較大拉應(yīng)力。通過有限元模擬計算得到該處未焊透和焊透這兩種情況下的應(yīng)力分布狀態(tài)，如圖6和圖7所示。

圖6 未焊透時的應(yīng)力集中狀態(tài)（單位：MPa）

圖7 焊透時均勻分布的應(yīng)力狀態(tài)（單位：MPa）

由計算模型可知，未焊透時焊縫根部應(yīng)力集中，且閥門位于循環(huán)氫壓縮機(jī)附近，受到壓縮機(jī)的振動影響，因此形成了導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的較大應(yīng)力幅。而如果焊縫是焊透的，則焊縫根部的應(yīng)力集中程度會較小些。

同時，焊縫未進(jìn)行熱處理，因此導(dǎo)致其中存在較大殘余應(yīng)力。焊縫收弧處的殘余應(yīng)力更大，材料的韌性和塑性大幅下降，疲勞極限也隨之下降，因此疲勞裂紋在焊縫收弧處不斷擴(kuò)展。

6 措施和建議

通過對閥門失效原因進(jìn)行分析，可以確認(rèn)焊縫未焊透，導(dǎo)致應(yīng)力集中，是本次閥門承插焊縫疲勞裂紋產(chǎn)生的原因。

（1）對目前在用的類似閥門，應(yīng)進(jìn)行承插焊縫檢測，存在未焊透以及類似缺陷的閥門應(yīng)予以更換，降低裝置運(yùn)行風(fēng)險；（2）在今后類似裝置建設(shè)項(xiàng)目中，應(yīng)盡可能選用對接焊結(jié)構(gòu)的閥門；（3）閥門與管件連接處的焊縫，應(yīng)采用合理的焊接結(jié)構(gòu)和焊接參數(shù)，確保焊縫全焊透；（4）閥門與管件連接處的焊縫需要進(jìn)行無損檢測，確保不存在有害缺陷。