分享：某压缩机法兰与钢管焊接接头焊缝开裂失效分析

摘 要:某平台湿气压缩机法兰与钢管焊接接头焊缝发生开裂失效,采用宏观观察、化学成分分 析、金相检验、力学性能试验、扫描电镜分析和能谱分析等方法对焊缝的开裂原因进行了分析.结果 表明:焊接接头结构的不合理和焊缝内部的未熔合缺陷造成局部应力集中,并导致焊接接头的疲劳 极限下降,在应力作用下法兰一侧切口处焊缝根部与未完全熔合的法兰母材交界处形成裂纹源;在外 部循环载荷作用下,裂纹逐渐向外表面扩展,当达到焊接接头的疲劳极限时,焊缝即发生开裂.

关键词:压缩机;焊缝;开裂失效;应力集中;疲劳极限

中图分类号:TG１７４ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０１Ｇ００５２Ｇ０４

某平台湿气压缩机法兰于 ２０１８ 年 ９ 月投产, ２０１８年１０月该压缩机二级出口安全阀进口连接法 兰和同心异径钢管(以下简称钢管)的焊接接头焊缝 发生开裂.法兰和钢管的材料均为 S３１８０３双相不 锈钢,钢管规格为?(３．８１~７．６２)cm.法兰和钢管 的焊接方式为手工钨极氩弧焊和多道焊,该焊接属 于立向上焊(法兰位于钢管上方).该压缩机出口压 力为８．４~１０．３MPa,转速为７３０~９９４rmin－１,压 缩机在运行过程中存在振动.为查明焊接接头焊缝 开裂的原因,笔者对焊接接头进行了理化检验和分 析,以期类似失效事故不再发生.

１ 理化检验

１．１ 宏观观察

焊接接头的宏观形貌如图１所示.可见焊缝未 开裂一侧较平整光滑,且该侧焊缝的高度比开裂一 侧的更高.焊缝最大开裂处位于焊接层最厚处至最 薄处的过渡区,与焊趾的距离为２mm,焊缝最大开 裂处外表面存在鱼鳞纹,由此推测该处为焊接起弧 点或收弧点.焊缝的最小高度为５．２mm,满足技术 规格书中对焊缝设计的要求.

焊缝上裂纹分布情况如图２所示.裂纹深度最 大处记为a点,裂纹深度较小处记为b点,裂纹沿曲 线ab两端逐渐扩展到c,d点.以c,d点为基准,沿 A－A′虚线将焊接接头沿纵向剖开,焊缝未开裂一 侧截面的宏观形貌如图３所示.测得钢管外壁与法 兰间距为４mm,不符合«焊接工艺规程(WPS)»中２ ~３mm 的设计要求.测得焊缝高度为６．２~７mm 和６．４~８mm,符合技术规格书的要求.左、右侧角 焊缝局部放大后可见左、右侧角焊缝处均存在未熔 合缺陷,且缺陷主要集中于焊缝根部与法兰的交界 处,测得左、右侧未熔合缺陷长度分别为３．８,４mm.

将焊缝开裂一侧沿裂纹垂直于钢管切开后,法 兰、钢管一侧切口的宏观形貌如图４和图５所示. 可见法兰一侧的切口中焊缝未熔合处的面积约占切 口总面积的一半,且主要集中在靠近钢管的区域. 钢管一侧切口中焊缝与钢管的未熔合处较多.

１．２ 化学成分分析

根 据 ASTM A１８２/A１８２M －２０１４Standard Specificationfor Forged or Rolled Alloy and StainlessSteel Pipe Flanges,Forged Fittings, and Valves and Parts for HighＧTemperature Service 和 AWS A５．９/A５．９M:２０１７ Welding ConsumablesＧWire Electrodes,Strip Electrodes, Wires,and Rodsfor Arc Weldingof Stainless andHeatResistingSteels———Classification,采用 SPECTROLABLAVMII直读光谱仪对法兰、钢管 和焊缝进行化学成分分析,结果见表１.可见法兰 和钢 管 的 化 学 成 分 符 合 ASTM A１８２/A１８２M － ２０１４对S３１８０３钢的技术要求,焊缝的化学成分符 合 AWSA５．９/A５．９M:２０１７的技术要求.

１．３ 金相检验

从焊接接 头 的 法 兰、钢 管、焊 缝、热 影 响 区 截 取试样,试样经打磨和抛光后,采用氯化铁的盐酸 水溶液(５gFeCl３＋１００mLH２O＋５０mLHCl)进 行浸蚀.使用 ZeissObserverA１m 型 金 相 倒 置 显 微镜进行金相检验,其显微组织形貌如图６所示. 可见试样显 微 组 织 为 黑 色 铁 素 体 ＋ 白 色 奥 氏 体. 按照 GB/T１３２９９－１９９１«钢 的 显 微 组 织 检 验 方 法»和 ASTM E５６２－１１StandardTestMethodfor Determining Volume Fraction by Systematic ManualPointCount对 上 述 试 样 进 行 铁 素 体 含 量 检测,测得法兰母材、钢管母材、焊缝、热影响区铁 素 体 的 面 积 占 比 分 别 为 ４２．３３％,５４．３３％, ４０．５０％,４３．１７％.

１．４ 力学性能试验

按 照 ASTM A３７０ － １７a Standard Test Methodsand Definitionsfor MechanicalTesting ofSteelProducts,采用 PSW７５０型摆锤冲击试验 机对法兰和钢管在－４０ ℃下进行冲击试验,结果见 表２.由表２可知,法兰的冲击吸收能量满足技术 规 格 书 的 技 术 要 求. 按 照 ASTM E９２ － １７ StandardTestMethodsforVickersHardnessand KnoopHardnessofMetallicMaterials,对法兰、钢 管和焊缝进行维氏硬度试验,结果见表 ３.由表 ３ 可知,法兰、钢管和焊缝的维氏硬度均满足 ASTM A１８２/A１８２M－２０１４的技术要求.

１．５ 扫描电镜分析

焊接 接 头 截 面 和 法 兰 一 侧 切 口 的 扫 描 电 镜 (SEM)形貌如图７和图８所示.由图７可见,焊接 接头截面存在裂纹,裂纹从焊缝内部向外表面延伸, 且裂纹深度逐渐变浅.由图８可见,法兰一侧切口 处焊缝根部与未完全熔合的法兰母材交界处存在裂 纹,此 处 为 应 力 集 中 部 位,易 形 成 裂 纹 源[１]. 由 图９a)可见,法兰一侧切口的裂纹扩展区存在多条 垂直于裂纹扩展方向且相互平行的疲劳条纹,每条 疲劳条纹代表一次载荷循环,疲劳条纹的间距随应 力振幅和振动频率发生变化[２Ｇ３].由图９b)可见,法 兰一侧切口中部区域存在从焊缝内部向外表面呈放射状扩展的裂纹.

１．６ 能谱分析

焊接接头截面法兰和焊缝的能谱(EDS)分析位 置如 图 １０ 所 示,EDS 分 析 结 果 如 图 １１ 所 示.由 图１１可知,法兰和焊缝的主要元素均为材料本体的 化学成分.

２ 分析与讨论

焊接接头焊缝根部与法兰母材未完全熔合,存 在未熔合缺陷,焊缝开裂处未熔合缺陷的面积约占 切口总面积的一半,该缺陷会减少焊接接头的有效 承载面积,并降低焊接接头的承载力.

由上述理化检验结果可知,法兰、钢管和焊缝的 化学成分、力学性能和显微组织均满足相关标准要 求.由扫描电镜分析结果可知:法兰一侧切口存在 多条垂直于裂纹扩展方向且相互平行的疲劳条纹, 呈现出疲劳扩展的特征,推测法兰一侧切口存在多 个裂纹源,裂纹源位于焊缝与法兰未熔合区的应力 集中处,裂纹从焊缝内部向外表面扩展.

法兰和钢管通过承插焊角焊缝连接,由于在焊 接接头焊缝向法兰母材过渡处有明显的截面变化, 该部位应力集中系数会较高[４Ｇ５],而焊接接头两端质 量不均匀,且焊缝处存在较大的振动载荷,因而会降 压作用下发生管径胀粗和管壁减薄.而管壁的减薄 使管壁应力进一步升高,加大了管壁发生塑性变形 和管壁减薄的程度,当壁厚不足以抵抗内压作用时 管壁就会发生爆裂.同时,由于管壁温度达到或超 过临界温度,造成 T９１ 钢 进 入 两 相 区 出 现 铁 素 体 相,同时钢中碳化物充分析出和长大,所以爆口处的 显微组织为铁素体＋碳化物,马氏体完全消失.由 于Super３０４H 钢最高许用温度为７００ ℃,所以短时 过热未对Super３０４H 钢管段造成影响.

３ 结论及建议

该 T９１钢吊挂管发生短时过热,其耐压强度急 剧下降,在内部介质压力作用下,管段发生胀粗和壁 厚减薄,当壁厚不足以抵抗内压作用时管段发生爆 裂,导致该吊挂管的泄漏.

建议加强对锅炉集箱的清洁度检查,及时排除 异物,防止吹管后异物在锅炉吊挂管内局部堆积引 起的管段短时超温.

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<文章来源> 材料与测试网> 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 56卷 > 1期 (pp:52-55)>