2022年云南焊工人才培訓：壓力容器用管法蘭焊縫熱影響區(qū)開裂失效分析
鑒于壓力容器不能正常工作，對主要影響因素管法蘭進行追蹤，并對開裂管法蘭進行失效分析。通過對法蘭試件的觀察與分析認為，法蘭裂紋的斷裂模式為脆性延遲斷裂，機理為應力腐蝕，發(fā)生應力腐蝕的原因應是由于焊縫熱影響區(qū)組織存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，導致材料耐晶間腐蝕能力下降所致。網(wǎng)狀碳化物的形成應與焊接工藝控制有關。
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對一件開裂法蘭進行失效分析。法蘭（標準為JB84.1-94）及接管所用材料均為0Cr18Ni9（固溶態(tài)），二者通過氬弧焊進行焊接，法蘭使用地點為沿海地區(qū)，安裝后共經(jīng)歷3次0.6MPa氮氣壓力試驗，第4次升壓至0.3MPa時發(fā)現(xiàn)泄漏。
法蘭及部分接管宏觀形貌見圖1，試件整體未見變形及損傷痕跡，法蘭及接管外表面大部分區(qū)域存在明顯的腐蝕痕跡，內表面未見明顯腐蝕痕跡。法蘭距焊縫約6.5mm處的變截面根部存在兩條呈180°對稱的周向穿透性裂紋（編為1#、2#），1#裂紋外表面長約1/2周長，內表面長約1/6周長，2#裂紋內、外表面長度均約為1/6周長，兩裂紋均呈鋸齒狀，裂紋區(qū)域可見腐蝕痕跡，未見損傷痕跡，見圖2。
采用機械方法將2#裂紋打開對斷口進行觀察：斷口粗糙，大部分斷面呈暗黑色、存在明顯的腐蝕痕跡；斷口源區(qū)位于外表面，為線源起裂，靠近內表面局部區(qū)域斷面有金屬光澤，應為人工斷口，見圖3。
掃描電鏡下觀察，斷口源區(qū)及擴展區(qū)微觀均呈“泥紋”狀腐蝕+沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，晶面上存在腐蝕痕跡及微孔；能譜分析，斷面除基體元素外還含有較高的O元素及腐蝕性介質S、Cl元素，見圖4。
（a）低倍形貌（b）腐蝕+沿晶形貌
（c）沿晶放大形貌（d）斷面能譜分析圖
圖4 斷口微觀形貌及能譜分析圖
從開裂區(qū)域截取部分試樣進行金相分析及顯微硬度測試，結果如下：
3.1接管基材及法蘭基材均為奧氏體組織，其中法蘭晶界上存在斷續(xù)分布的碳化物；焊縫為枝晶組織，未見明顯的焊接缺陷。
3.2裂紋位于法蘭一側焊縫熱影響區(qū)，裂紋兩側存在沿晶分叉裂紋；法蘭熱影響區(qū)組織可見沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，接管熱影響區(qū)組織晶界上也存在碳化物，但數(shù)量相對較少，尚未呈網(wǎng)狀分布，見圖5。
3.3對金相試樣進行顯微硬度測試，測試結果見表1。
表1 顯微硬度測試結果（HV0.2）
1 | 2 | 3 | 平均 | |
法蘭基材 | 275 | 288 | 262 | 275 |
法蘭熱影響區(qū) | 255 | 251 | 257 | 254 |
焊縫中心 | 184 | 170 | 180 | 178 |
接管熱影響區(qū) | 190 | 201 | 196 | 196 |
接管基材 | 173 | 164 | 164 | 167 |
對法蘭及接管材料分別進行化學成分分析，結果見表2。測試結果表明二者材料成分均與0Cr18Ni9牌號相符，其中法蘭材料C元素含量處在標準上限。
表2 化學成分分析結果（%）
C | S | P | Cr | Ni | Mn | Si | |
法蘭 | 0.08 | 0.025 | 0.019 | 17.20 | 7.97 | 0.77 | 0.38 |
接管 | 0.06 | 0.002 | 0.027 | 17.65 | 8.03 | 0.86 | 0.47 |
JB4728-2000 Ⅱ級鍛件 | ≤0.07 ±0.01 | ≤0.030 | ≤0.035 | 17.00～19.00 | 8.00～11.00 ±0.1 | ≤2.00 | ≤1.00 |
注：成分偏差要求依據(jù)GB 222-84。
化學成分分析結果表明，法蘭及接管所用材料成分均與0Cr18Ni9牌號相符，其中法蘭材料C元素含量處在標準上限。
法蘭焊縫附近變截面根部存在兩條穿透性周向裂紋，裂紋呈鋸齒狀，裂紋區(qū)域存在明顯的腐蝕痕跡；裂紋斷口存在明顯的腐蝕痕跡，源區(qū)位于外表面，為線源起裂，源區(qū)及擴展區(qū)微觀均呈腐蝕+沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，晶面存在腐蝕痕跡及微孔，能譜分析含有腐蝕性介質S、Cl元素，根據(jù)以上斷口形貌特征判斷，法蘭裂紋的斷裂模式為脆性延遲斷裂，機理為應力腐蝕。
應力腐蝕是金屬材料在拉應力和腐蝕介質共同作用下發(fā)生的破壞過程，具有延遲破壞特征；法蘭外表面大部分區(qū)域存在明顯的腐蝕痕跡，腐蝕產(chǎn)物中含有腐蝕性介質S、Cl元素，表明法蘭使用環(huán)境中存在較強的腐蝕氣氛，法蘭斷裂位置位于變截面處環(huán)焊縫熱影響區(qū)內，該區(qū)域為應力集中區(qū)，可能存在殘余拉應力，具備腐蝕及應力腐蝕發(fā)生的必要條件。
金相分析結果表明，裂紋所在的熱影響區(qū)組織存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，從而使晶界弱化、材料承載能力降低；大量碳化物的析出造成晶界Cr含量降低，貧Cr區(qū)的電極電位比晶體內低，在腐蝕介質的作用下，電極電位低的晶界成為陽極而被腐蝕，導致材料的耐晶間腐蝕能力下降[1]，從而易于發(fā)生應力腐蝕破壞。網(wǎng)狀碳化物的形成應是由于焊接過程中在敏化溫度區(qū)間停留時間過長所致。
通過對法蘭試件的觀察與分析認為，法蘭裂紋的斷裂模式為脆性延遲斷裂，機理為應力腐蝕，發(fā)生應力腐蝕的原因應是由于焊縫熱影響區(qū)組織存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，導致材料耐晶間腐蝕能力下降所致。網(wǎng)狀碳化物的形成應與焊接工藝控制有關。
