压力容器用管法兰焊缝热影响区开裂失效分析

鉴于压力容器不能正常工作，对主要影响因素管法兰进行追踪，并对开裂管法兰进行失效分析。通过对法兰试件的观察与分析认为，法兰裂纹的断裂模式为脆性延迟断裂，机理为应力腐蚀，发生应力腐蚀的原因应是由于焊缝热影响区组织存在沿晶分布的网状碳化物，导致材料耐晶间腐蚀能力下降所致。网状碳化物的形成应与焊接工艺控制有关。
对一件开裂法兰进行失效分析。法兰（标准为JB84.1-94）及接管所用材料均为0Cr18Ni9（固溶态），二者通过氩弧焊进行焊接，法兰使用地点为沿海地区，安装后共经历3次0.6MPa氮气压力试验，第4次升压至0.3MPa时发现泄漏。

01
宏观观察
法兰及部分接管宏观形貌见图1，试件整体未见变形及损伤痕迹，法兰及接管外表面大部分区域存在明显的腐蚀痕迹，内表面未见明显腐蚀痕迹。法兰距焊缝约6.5mm处的变截面根部存在两条呈180°对称的周向穿透性裂纹（编为1#、2#），1#裂纹外表面长约1/2周长，内表面长约1/6周长，2#裂纹内、外表面长度均约为1/6周长，两裂纹均呈锯齿状，裂纹区域可见腐蚀痕迹，未见损伤痕迹，见图2。



外表面


内表面
图1 法兰及部分接管宏观形貌





  
图2 裂纹宏观形貌
采用机械方法将2#裂纹打开对断口进行观察：断口粗糙，大部分断面呈暗黑色、存在明显的腐蚀痕迹；断口源区位于外表面，为线源起裂，靠近内表面局部区域断面有金属光泽，应为人工断口，见图3。


图3 裂纹断口宏观形貌

02
微观观察及能谱分析
扫描电镜下观察，断口源区及扩展区微观均呈“泥纹”状腐蚀+沿晶形貌，可见沿晶二次裂纹，晶面上存在腐蚀痕迹及微孔；能谱分析，断面除基体元素外还含有较高的O元素及腐蚀性介质S、Cl元素，见图4。


  


      

  


（a）低倍形貌（b）腐蚀+沿晶形貌
（c）沿晶放大形貌（d）断面能谱分析图
  图4 断口微观形貌及能谱分析图
03
金相分析及显微硬度测试
从开裂区域截取部分试样进行金相分析及显微硬度测试，结果如下：

3.1接管基材及法兰基材均为奥氏体组织，其中法兰晶界上存在断续分布的碳化物；焊缝为枝晶组织，未见明显的焊接缺陷。

3.2裂纹位于法兰一侧焊缝热影响区，裂纹两侧存在沿晶分叉裂纹；法兰热影响区组织可见沿晶分布的网状碳化物，接管热影响区组织晶界上也存在碳化物，但数量相对较少，尚未呈网状分布，见图5。

3.3对金相试样进行显微硬度测试，测试结果见表1。表1 显微硬度测试结果（HV0.2）

123平均法兰基材275288262275法兰热影响区255251257254焊缝中心184170180178接管热影响区190201196196接管基材173164164167
04
化学成分分析
对法兰及接管材料分别进行化学成分分析，结果见表2。测试结果表明二者材料成分均与0Cr18Ni9牌号相符，其中法兰材料C元素含量处在标准上限。
表2 化学成分分析结果（%）

CSPCrNiMnSi法兰0.080.0250.01917.207.970.770.38接管0.060.0020.02717.658.030.860.47JB4728-2000Ⅱ级锻件≤0.07±0.01≤0.030≤0.03517.00～19.008.00～11.00±0.1≤2.00≤1.00注：成分偏差要求依据GB 222-84。
05
分析讨论
化学成分分析结果表明，法兰及接管所用材料成分均与0Cr18Ni9牌号相符，其中法兰材料C元素含量处在标准上限。

法兰焊缝附近变截面根部存在两条穿透性周向裂纹，裂纹呈锯齿状，裂纹区域存在明显的腐蚀痕迹；裂纹断口存在明显的腐蚀痕迹，源区位于外表面，为线源起裂，源区及扩展区微观均呈腐蚀+沿晶形貌，可见沿晶二次裂纹，晶面存在腐蚀痕迹及微孔，能谱分析含有腐蚀性介质S、Cl元素，根据以上断口形貌特征判断，法兰裂纹的断裂模式为脆性延迟断裂，机理为应力腐蚀。
应力腐蚀是金属材料在拉应力和腐蚀介质共同作用下发生的破坏过程，具有延迟破坏特征；法兰外表面大部分区域存在明显的腐蚀痕迹，腐蚀产物中含有腐蚀性介质S、Cl元素，表明法兰使用环境中存在较强的腐蚀气氛，法兰断裂位置位于变截面处环焊缝热影响区内，该区域为应力集中区，可能存在残余拉应力，具备腐蚀及应力腐蚀发生的必要条件。
金相分析结果表明，裂纹所在的热影响区组织存在沿晶分布的网状碳化物，从而使晶界弱化、材料承载能力降低；大量碳化物的析出造成晶界Cr含量降低，贫Cr区的电极电位比晶体内低，在腐蚀介质的作用下，电极电位低的晶界成为阳极而被腐蚀，导致材料的耐晶间腐蚀能力下降[1]，从而易于发生应力腐蚀破坏。网状碳化物的形成应是由于焊接过程中在敏化温度区间停留时间过长所致。

06
结束语
通过对法兰试件的观察与分析认为，法兰裂纹的断裂模式为脆性延迟断裂，机理为应力腐蚀，发生应力腐蚀的原因应是由于焊缝热影响区组织存在沿晶分布的网状碳化物，导致材料耐晶间腐蚀能力下降所致。网状碳化物的形成应与焊接工艺控制有关。
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