蔣程宇，邢彥鋒，曹菊勇，周青云

（1.201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院；2.200135 上海市 上海佳地噴霧系統(tǒng)有限公司）

0 引言

鋼廠高爐蒸發(fā)冷卻器使用的外混噴槍是由3層同心鋼管、彎頭和連接法蘭焊制而成，其中：外層管線鋼管的規(guī)格為Φ88.9 mm×4 mm，材料為304 型不銹鋼，內(nèi)部兩層管線鋼管的規(guī)格分別為Φ48.3 mm×4 mm 和Φ33.7 mm×4 mm，材料均為310 型不銹鋼。管線中輸送的介質(zhì)為水和水蒸氣，壓力范圍分別為0.4～0.8 MPa 和0.6～1 MPa，兩者壓力可以任意調(diào)節(jié)，相互間不會產(chǎn)生干涉，產(chǎn)生顆粒度在60～160 μm 的細(xì)小錐形水霧顆粒。該噴槍的設(shè)計壽命為1 年，但是在噴槍投入運行數(shù)月后發(fā)生泄漏。經(jīng)初步檢查發(fā)現(xiàn)，在最外層鋼管和彎頭焊縫處產(chǎn)生穿透性裂紋。為了查明此焊縫開裂失效的原因，對其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀形貌分析

從鋼廠提供的兩次失效的噴槍管線上的失效焊縫位置截取2 個試樣，1#試樣所屬的管線焊縫在焊前未進(jìn)行開坡口處理，2#試樣所屬的管線焊縫在焊前進(jìn)行了開坡口處理(坡口角度：30°)[1]。失效噴槍管線的宏觀形貌和1#試樣的開裂位置如圖1 所示。該裂紋出現(xiàn)在環(huán)焊縫上，說明該處有較大的拉應(yīng)力[2-3]。將管線焊縫沿裂紋處打開，通過體式顯微鏡拍攝所得斷口的宏觀形貌如圖2 所示。該斷口未見明顯塑性變形，呈脆性端口特征，斷口右側(cè)表面有大量腐蝕產(chǎn)物覆蓋，左側(cè)斷口平齊，是由于焊接時未焊透導(dǎo)致。平齊區(qū)內(nèi)表面相對平整，外表面粗糙且呈放射狀，可判斷平齊區(qū)內(nèi)表面最先起裂，并向外表面和管周方向擴(kuò)展[4]，該區(qū)域判定為裂紋源位置，并在圖2 中標(biāo)出。

圖1 失效噴槍管線焊縫的宏觀形貌和1#試樣的開裂位置Fig.1 Macroscopic appearance of weld line of failed spray gun pipeline and cracking position of sample #1

圖2 1#試樣裂紋打開后的斷口宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of fracture after crack is opened

從另一失效噴槍管線和焊縫處截取2#試樣，將試樣沿裂紋打開并對焊縫試樣打磨拋光后，采用體式顯微鏡對焊縫截面進(jìn)行檢驗，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。可以看出，2#試樣裂紋位置與1#試樣裂紋位于焊縫中間不同，而是位于焊縫的焊趾處，經(jīng)測量焊縫截面余高2.994 mm，壁厚4.039 mm，余高為壁厚的74.13%[2,5]。

圖3 管線焊縫截面Fig.3 Cross section of pipeline weld

1.2 化學(xué)成分

對管線進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，管線的化學(xué)成分符合GB/T 9711-2011 中304 型不銹鋼的要求。

表1 失效管線及焊縫的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of failed pipelines and welds (mass fraction)

1.3 顯微組織

在圖3 的裂紋處選取兩點進(jìn)行金相分析。采用德國徠卡金相顯微鏡，根據(jù)GB/T15749-2008定量金相來進(jìn)行測定，試樣制備首先經(jīng)過#200以及#1500 等金相砂紙打磨，然后采用粒度為W1.5 的水拋光膏拋光，最后采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕。腐蝕后的試樣如圖4 所示。由圖4可以看出，焊縫裂紋呈穿晶開裂，無分叉，母材顯微組織為奧氏體，焊縫顯微組織為奧氏體+形變馬氏體，形態(tài)未見異常。

圖4 焊縫裂紋處的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld crack

1.4 SEM 形貌及EDS 能譜

將焊縫裂紋打開并采用線切割取樣，經(jīng)丙酮和超聲清洗機(jī)對焊縫斷口試樣表面進(jìn)行清洗。之后使用捷克FEI 公司的Quanta-250 型掃描電鏡（SEM）對焊縫裂紋表面進(jìn)行形貌觀察及表面腐蝕物成分分析。由圖5 可見：斷口上的晶界較光滑，呈典型的冰糖狀，或呈巖石狀，屬脆性斷裂，是典型的沿晶型應(yīng)力腐蝕斷口所具有的形貌特征[6-7]。

圖5 在不同放大倍數(shù)下的焊縫裂紋表面腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphology of weld crack surface under different magnifications

采用英國Oxford 公司的X 射線能量色散譜儀（EDS）對焊縫裂紋斷口表面腐蝕進(jìn)行能譜分析，如圖6 所示。能譜分析表明：裂紋斷口周圍的腐蝕產(chǎn)物中含氧量很高，說明該區(qū)域發(fā)生了嚴(yán)重的氧腐蝕，腐蝕產(chǎn)物以鐵氧化物為主；焊縫裂紋斷口周圍的腐蝕產(chǎn)物中含有少量硫和磷元素。經(jīng)檢測，腐蝕產(chǎn)物中的硫和磷元素來源于鋼廠蒸發(fā)冷卻器排出的混合煙氣，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的還原菌（SRB）的作用下，硫元素對管線焊縫的腐蝕起了加速作用[8-9]。

圖6 裂紋斷口表面腐蝕產(chǎn)物EDS 分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis results of corrosion products on the surface of crack

2 焊縫殘余應(yīng)力有限元仿真分析

為分析鋼管和彎頭的焊縫余高對焊縫的應(yīng)力影響，對鋼管、彎頭和焊縫建立有限元模型，以分析焊縫處的應(yīng)力分布。

因焊縫實際存在，且焊縫余高不均勻，為了模型的建立方便，將取3 mm 均勻余高（試樣實際測量2.994 mm）和無余高（0 mm）兩種情況。因主要是針對焊縫的有限元分析，故取長度為88 mm的管線（焊縫兩側(cè)各44 mm）進(jìn)行局部建模，管線外徑88.9 mm，壁厚4 mm，內(nèi)壓1 MPa，建立有限元模型，并對其進(jìn)行應(yīng)力分析。焊縫有限元模型如圖7（a）所示，焊縫處局部網(wǎng)格加密，如圖7（b）)所示[10-11]。

圖7 焊縫有限元仿真模型Fig.7 Finite element simulation model of weld seam

2.1 余高取3 mm 時焊縫應(yīng)力分析

取焊縫余高為3 mm，其有限元分析結(jié)果如圖8（a）所示。在管線焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，焊縫處的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管線內(nèi)壁焊縫處，為5.826×102MPa。

圖8 焊縫余高取3 mm 時應(yīng)力分布云圖Fig.8 Cloud distribution of stress when residual height of weld is 3 mm

1#試樣因焊前沒有進(jìn)行開坡口處理，導(dǎo)致了未焊透現(xiàn)象，同時，焊縫因余高過高引起拉應(yīng)力集中是導(dǎo)致焊縫處產(chǎn)生裂紋的原因[12]；2#試樣在焊前進(jìn)行了開坡口處理，使未焊透問題得到了解決，但外壁上焊縫焊趾處應(yīng)力明顯大于焊縫余高處應(yīng)力，與宏觀檢測圖和金相微觀圖中試樣在焊縫焊趾處產(chǎn)生裂紋并開裂的實際情況相符，如圖8（b）所示。

2.2 無余高時焊縫應(yīng)力分析

取焊縫余高為0 mm，其有限元分析結(jié)果如圖9 所示。在管線焊縫處沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在管材壁上，為4.717×102 MPa。有余高時的最大應(yīng)力值5.826×102 MPa 較沒有余高情況時應(yīng)力增加了23.5%，過高的余高導(dǎo)致了焊縫處的應(yīng)力集中情況嚴(yán)重。

圖9 焊縫余高取0 mm 時應(yīng)力分布云圖Fig.9 Cloud distribution of stress when residual height of weld is 0 mm

3 失效原因分析

由對截取1#試樣的檢驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，該環(huán)焊縫開裂部位斷口平齊區(qū)靠近內(nèi)表面，存在焊縫未熔合及夾渣缺陷，斷口呈放射狀花樣形貌，收斂于內(nèi)壁根部未熔合缺陷處，表明焊縫未熔合及夾渣缺陷為開裂源區(qū)[4,13]。

由2#試樣的檢驗結(jié)果可知，鋼管與彎頭焊縫余高較大，為2.994 mm，母材壁厚為4.039 mm，不符合GB/T 12777-2008 中“管坯余高不應(yīng)大于壁厚的10%”的要求。由于焊接過程中焊接工藝的不規(guī)范導(dǎo)致焊縫余高的超標(biāo)，從而導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力腐蝕開裂。

此外，在斷口能譜檢測中發(fā)現(xiàn)有S 元素和P元素的存在，其含量大大高于材料的含硫量，可判定為腐蝕產(chǎn)物。這是因為在鋼廠煉鋼過程中排除含有S，P 的化合物，與噴槍中的水和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成H2SO4會加速鋼鐵的腐蝕。

焊縫有限元分析結(jié)果表面，焊縫余高為3 mm 時，導(dǎo)致管線內(nèi)壁焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，對焊縫造成應(yīng)力疊加，該情況較無余高時應(yīng)力增大了23.5%。

由上述可知：焊接工藝的不規(guī)范以及焊前未進(jìn)行開坡口處理導(dǎo)致的焊縫未熔合和余高超標(biāo)的共同作用下，導(dǎo)致了該焊縫出現(xiàn)裂紋，這是造成焊縫失效的主要原因。煉鋼過程中產(chǎn)生的S，P元素加速了裂紋的擴(kuò)展。

4 結(jié)論

通過對開裂焊縫試樣的宏觀形貌、金相檢驗、電鏡與能譜分析、材料分析、有限元仿真等方面的分析，得出結(jié)論：焊接工藝的不規(guī)范導(dǎo)致焊縫未熔合以及余高超標(biāo)導(dǎo)致應(yīng)力集中起裂，并向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展；煉鋼過程中產(chǎn)生的S，P 元素加速了裂紋的擴(kuò)展。建議在焊接前先開坡口，解決焊縫未融合問題；焊縫焊完進(jìn)行外觀檢查，對余高超標(biāo)、突變、不均勻部分應(yīng)進(jìn)行打磨，確保焊縫余高符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并圓滑過渡、無突變。