某壓縮機(jī)法蘭與鋼管焊接接頭焊縫開裂失效分析

童遠(yuǎn)濤1, 楊中娜, 羅 懿, 楊 陽

(1. 中海石油(中國)有限公司 湛江分公司, 湛江 524057; 2. 中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司, 天津 300452)

某平臺(tái)濕氣壓縮機(jī)法蘭于2018年9月投產(chǎn)，2018年10月該壓縮機(jī)二級(jí)出口安全閥進(jìn)口連接法蘭和同心異徑鋼管(以下簡(jiǎn)稱鋼管)的焊接接頭焊縫發(fā)生開裂。法蘭和鋼管的材料均為S31803雙相不銹鋼，鋼管規(guī)格為φ(3.81～7.62) cm。法蘭和鋼管的焊接方式為手工鎢極氬弧焊和多道焊，該焊接屬于立向上焊(法蘭位于鋼管上方)。該壓縮機(jī)出口壓力為8.4～10.3 MPa，轉(zhuǎn)速為730～994 r·min-1，壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中存在振動(dòng)。為查明焊接接頭焊縫開裂的原因，筆者對(duì)焊接接頭進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析，以期類似失效事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

焊接接頭的宏觀形貌如圖1所示?？梢姾缚p未開裂一側(cè)較平整光滑，且該側(cè)焊縫的高度比開裂一側(cè)的更高。焊縫最大開裂處位于焊接層最厚處至最薄處的過渡區(qū)，與焊趾的距離為2 mm，焊縫最大開裂處外表面存在魚鱗紋，由此推測(cè)該處為焊接起弧點(diǎn)或收弧點(diǎn)。焊縫的最小高度為5.2 mm，滿足技術(shù)規(guī)格書中對(duì)焊縫設(shè)計(jì)的要求。

圖1 焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of welded joint

焊縫上裂紋分布情況如圖2所示。裂紋深度最大處記為a點(diǎn)，裂紋深度較小處記為b點(diǎn)，裂紋沿曲線ab兩端逐漸擴(kuò)展到c，d點(diǎn)。以c，d點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿A-A′虛線將焊接接頭沿縱向剖開，焊縫未開裂一側(cè)截面的宏觀形貌如圖3所示。測(cè)得鋼管外壁與法蘭間距為4 mm，不符合《焊接工藝規(guī)程(WPS)》中2～3 mm的設(shè)計(jì)要求。測(cè)得焊縫高度為6.2～7 mm和6.4～8 mm，符合技術(shù)規(guī)格書的要求。左、右側(cè)角焊縫局部放大后可見左、右側(cè)角焊縫處均存在未熔合缺陷，且缺陷主要集中于焊縫根部與法蘭的交界處，測(cè)得左、右側(cè)未熔合缺陷長(zhǎng)度分別為3.8，4 mm。

圖2 焊縫上裂紋分布情況示意圖Fig.2 Schematic diagram of crack distribution on welded seam

圖3 焊縫未開裂一側(cè)截面的宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of the section on the uncracked side of welded seam

將焊縫開裂一側(cè)沿裂紋垂直于鋼管切開后，法蘭、鋼管一側(cè)切口的宏觀形貌如圖4和圖5所示?？梢姺ㄌm一側(cè)的切口中焊縫未熔合處的面積約占切口總面積的一半，且主要集中在靠近鋼管的區(qū)域。鋼管一側(cè)切口中焊縫與鋼管的未熔合處較多。

圖4 法蘭一側(cè)切口的宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of notch on one side of flange

圖5 鋼管一側(cè)切口的宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of notch on one side of steel pipe

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)ASTM A182/A182M-2014StandardSpecificationforForgedorRolledAlloyandStainlessSteelPipeFlanges,ForgedFittings,andValvesandPartsforHigh-TemperatureService和AWS A5.9/A5.9M：2017WeldingConsumables-WireElectrodes,StripElectrodes,Wires,andRodsforArcWeldingofStainlessandHeatResistingSteels——Classification，采用SPECTRO LAB LAVMII直讀光譜儀對(duì)法蘭、鋼管和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可見法蘭和鋼管的化學(xué)成分符合ASTM A182/A182M-2014對(duì)S31803鋼的技術(shù)要求，焊縫的化學(xué)成分符合AWS A5.9/A5.9M:2017的技術(shù)要求。

表1 焊接接頭不同部位的的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of different parts of welded joint (mass fraction) %

1.3 金相檢驗(yàn)

從焊接接頭的法蘭、鋼管、焊縫、熱影響區(qū)截取試樣，試樣經(jīng)打磨和拋光后，采用氯化鐵的鹽酸水溶液(5 g FeCl3+100 mL H2O+50 mL HCl)進(jìn)行浸蝕。使用Zeiss Observer A1m型金相倒置顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其顯微組織形貌如圖6所示?？梢娫嚇语@微組織為黑色鐵素體+白色奧氏體。按照GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織檢驗(yàn)方法》和ASTM E562-11StandardTestMethodforDeterminingVolumeFractionbySystematicManualPointCount對(duì)上述試樣進(jìn)行鐵素體含量檢測(cè),測(cè)得法蘭母材、鋼管母材、焊縫、熱影響區(qū)鐵素體的面積占比分別為42.33%，54.33%，40.50%，43.17%。

圖6 焊接接頭不同部位的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of different parts of welded joint

1.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

按照ASTM A370-17aStandardTestMethodsandDefinitionsforMechanicalTestingofSteelProducts，采用PSW750型擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)法蘭和鋼管在-40 ℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可知，法蘭的沖擊吸收能量滿足技術(shù)規(guī)格書的技術(shù)要求。按照ASTM E92-17StandardTestMethodsforVickersHardnessandKnoopHardnessofMetallicMaterials，對(duì)法蘭、鋼管和焊縫進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可知，法蘭、鋼管和焊縫的維氏硬度均滿足ASTM A182/A182M-2014的技術(shù)要求。

表2 焊接接頭不同部位的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Impact test results of different parts of welded joint J

表3 焊接接頭不同部位的維氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Vickers hardness test results of different parts of welded joint HV10

1.5 掃描電鏡分析

圖7 焊接接頭截面的SEM形貌Fig.7 SEM morphology of cross section of welded joint

圖8 法蘭一側(cè)切口的SEM形貌Fig.8 SEM morphology of notch on one side of flange

圖9 法蘭一側(cè)切口裂紋擴(kuò)展區(qū)和中部區(qū)域的SEM形貌 Fig.9 SEM morphology of a) crack extended region and b) middle region of notch on one side of flange

焊接接頭截面和法蘭一側(cè)切口的掃描電鏡(SEM)形貌如圖7和圖8所示。由圖7可見，焊接接頭截面存在裂紋，裂紋從焊縫內(nèi)部向外表面延伸，且裂紋深度逐漸變淺。由圖8可見，法蘭一側(cè)切口處焊縫根部與未完全熔合的法蘭母材交界處存在裂紋，此處為應(yīng)力集中部位，易形成裂紋源[1]。由圖9a)可見，法蘭一側(cè)切口的裂紋擴(kuò)展區(qū)存在多條垂直于裂紋擴(kuò)展方向且相互平行的疲勞條紋，每條疲勞條紋代表一次載荷循環(huán)，疲勞條紋的間距隨應(yīng)力振幅和振動(dòng)頻率發(fā)生變化[2-3]。由圖9b)可見，法蘭一側(cè)切口中部區(qū)域存在從焊縫內(nèi)部向外表面呈放射狀擴(kuò)展的裂紋。

1.6 能譜分析

焊接接頭截面法蘭和焊縫的能譜(EDS)分析位置如圖10所示，EDS分析結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，法蘭和焊縫的主要元素均為材料本體的化學(xué)成分。

圖10 法蘭和焊縫的EDS分析位置Fig.10 EDS analysis locations of flange and welded seam

圖11 法蘭和焊縫的EDS分析結(jié)果Fig.11 EDS analysis results of a) flange and b) welded seam

2 分析與討論

焊接接頭焊縫根部與法蘭母材未完全熔合，存在未熔合缺陷，焊縫開裂處未熔合缺陷的面積約占切口總面積的一半，該缺陷會(huì)減少焊接接頭的有效承載面積，并降低焊接接頭的承載力。

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，法蘭、鋼管和焊縫的化學(xué)成分、力學(xué)性能和顯微組織均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。由掃描電鏡分析結(jié)果可知：法蘭一側(cè)切口存在多條垂直于裂紋擴(kuò)展方向且相互平行的疲勞條紋，呈現(xiàn)出疲勞擴(kuò)展的特征，推測(cè)法蘭一側(cè)切口存在多個(gè)裂紋源，裂紋源位于焊縫與法蘭未熔合區(qū)的應(yīng)力集中處，裂紋從焊縫內(nèi)部向外表面擴(kuò)展。

法蘭和鋼管通過承插焊角焊縫連接，由于在焊接接頭焊縫向法蘭母材過渡處有明顯的截面變化，該部位應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)較高[4-5]，而焊接接頭兩端質(zhì)量不均勻，且焊縫處存在較大的振動(dòng)載荷，因而會(huì)降

低焊接接頭的疲勞極限。和鋼管相比，法蘭受熱較慢，因而焊接時(shí)未預(yù)熱、焊接電流低、焊接速率快或因施工空間限制導(dǎo)致焊接角度不易控制等因素都會(huì)造成焊接缺陷。失效件焊縫處的未熔合缺陷屬于面積型缺陷，與作用力方向垂直，大幅減少了焊接接頭的有效承載面積，從而降低了焊接接頭的疲勞極限。當(dāng)達(dá)到疲勞極限時(shí)，在循環(huán)載荷作用下焊縫即發(fā)生開裂[6-7]。

3 結(jié)論及建議

焊接接頭結(jié)構(gòu)的不合理和焊縫內(nèi)部存在的未熔合缺陷，這導(dǎo)致焊接接頭的疲勞極限下降，在應(yīng)力作用下法蘭一側(cè)切口處焊縫根部與未完全熔合的法蘭母材交界處形成裂紋源；在外部循環(huán)載荷作用下，裂紋逐漸向焊縫的外表面擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到焊接接頭的疲勞極限時(shí)，焊縫在載荷作用下發(fā)生開裂。

建議對(duì)濕氣壓縮機(jī)的焊接接頭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)排查，對(duì)發(fā)生開裂的焊接接頭進(jìn)行補(bǔ)焊或更換，補(bǔ)焊的過程中要進(jìn)行焊接工藝的評(píng)定和優(yōu)化，如增加坡口、對(duì)法蘭進(jìn)行預(yù)熱等，并在焊接時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督；加強(qiáng)振動(dòng)檢測(cè)，采取減振措施；優(yōu)化類似結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以利于焊接，提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度，進(jìn)行焊接工藝改進(jìn)及現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量控制，增加無損檢測(cè)環(huán)節(jié)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。