某型號金屬軟管泄漏故障分析

王 磊 付 靜 余善海 潘 科 張 凱

（河南航天工業(yè)總公司，鄭州 451191）

近年來，河南航天工業(yè)總公司交付的用于運載火箭供氣系統(tǒng)使用的某型號金屬軟管，在安裝調(diào)試一段時間后存在管體泄漏的問題。通過對故障件進行氣密性試驗，即向故障件通入0.2MPa 氣壓后，發(fā)現(xiàn)位于軟管管坯與焊接轉(zhuǎn)接頭附近的部位泄漏較嚴重。本文通過對故障件進行剖切檢查、微觀檢查以及金相分析，查找金屬軟管泄漏的原因，并提出相應的改進措施。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

金屬軟管由接頭組件（包括外套螺母、球形接頭和焊接接管嘴等）、焊接轉(zhuǎn)接頭、焊接環(huán)、金屬波紋管管坯以及不銹鋼絲網(wǎng)套等組成，材質(zhì)均為1Cr18Ni9Ti（18-8 型不銹鋼）。金屬軟管產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。金屬軟管的加工過程共有3 道焊接工序。其中，第1 道焊縫（焊縫Ⅰ）為管坯和焊接轉(zhuǎn)接頭之間的氬弧焊焊接（141 焊接）；第2 道焊縫（焊縫Ⅱ）為焊接環(huán)、鋼絲網(wǎng)套和焊接轉(zhuǎn)接頭之間的高頻感應釬焊焊接（916 焊接）；第3 道焊縫（焊縫Ⅲ）為接頭組件和焊接轉(zhuǎn)接頭之間的氬弧焊焊接（141 焊接）。

圖1 金屬軟管結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知：焊縫Ⅰ主要起密封作用；焊縫Ⅱ主要防止焊接環(huán)和金屬鋼絲網(wǎng)套脫落，并對焊縫Ⅰ起到固定和保護作用；焊縫Ⅲ可將軟管轉(zhuǎn)換成所需的接頭型式；鋼絲網(wǎng)套可對管坯起到外觀保護和承受壓力的作用。

2 檢查過程

2.1 故障件剖切檢查

為準確找到故障件的泄漏點，采用機械方法將波紋管管坯（連同焊接轉(zhuǎn)接頭）與鋼絲網(wǎng)套剖切后進行檢查，發(fā)現(xiàn)波紋管氬弧焊環(huán)焊縫的第2 道波谷存在一條穿透性裂紋，長約3mm，大致呈“L”形，主方向沿縱向開裂。裂紋附近表面未見明顯的機械損傷痕跡，如圖2 所示。

2.2 微觀檢查

采用體視顯微鏡觀察剖切件，發(fā)現(xiàn)裂紋斷口處未見明顯的塑性變形，且斷面較為粗糙，未見明顯的腐蝕痕跡。采用掃描電鏡觀察剖切件，發(fā)現(xiàn)整個裂紋斷面均呈沿晶形貌，可見沿晶二次裂紋，未見材料缺陷，如圖3 所示。

2.3 金相分析

從剖切件裂紋附近截取縱剖面試樣，并制備成金相試樣，進行金相組織觀察和顯微硬度測試。

圖2 故障件剖切照片

首先，環(huán)焊縫組織未見異常，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。波紋管基材為奧氏體組織，但焊縫附近組織與其他區(qū)域組織存在明顯差異。焊縫中第1 ～4 道波谷范圍內(nèi)，組織可見沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，其中第2 道波谷處（對應裂紋位置）網(wǎng)狀碳化物的數(shù)量最多，如圖4 所示。

圖3 剖切件的低倍形貌

圖4 故障件金相組織分析

其次，采用標準顯微維氏硬度塊HV0.2 對金相試樣進行顯微硬度測試，結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，開裂區(qū)域的硬度與正常區(qū)域的硬度未見明顯差異；故障件環(huán)焊縫中1 ～4 道波谷范圍內(nèi)，管坯受焊接熱影響，組織中網(wǎng)狀碳化物增多，晶界弱化。

表1 顯微硬度測試結(jié)果

3 原因分析

分析以上檢查結(jié)果可知，故障件無機械損傷。18-8 型不銹鋼在焊接過程中，因焊接線能量過大，導致不銹鋼中的碳與鉻結(jié)合形成網(wǎng)狀碳化物。此外，熱影響區(qū)內(nèi)網(wǎng)狀碳化物增多且晶界弱化，使焊接敏化，管坯塑性降低，從而影響管坯的承載能力。

金屬軟管在加工過程中共有3 道焊接工序。其中，第一道焊接工序會在焊縫Ⅰ處殘余較多應力，使焊縫Ⅰ成為應力集中處。軟管加工過程中未對焊接殘余應力采取有效措施，因此在使用過程中應力集中處易發(fā)生脆性開裂。

綜上所述，可以得出金屬軟管泄漏的主要原因在于兩個方面。一方面，因焊接過程中選取焊接電流過大，造成管坯熱影響區(qū)組織發(fā)生變化，從而使網(wǎng)狀碳化物增多，材料塑性降低。另一方面，加工過程中未有效去除焊接形成的應力，導致在使用過程中金屬軟管在焊接殘余應力和工作載荷的共同作用下，應力集中處易發(fā)生脆性開裂，造成金屬軟管泄漏。

4 改進措施

為避免后續(xù)產(chǎn)品再次出現(xiàn)類似的故障，特從金屬軟管產(chǎn)品加工工藝方面采取以下改進措施。第一，加強焊前過程控制。在每道焊接工序之前增加清洗工序，確保焊接時接頭、焊絲和管坯等無油污與灰塵等多余物，從而防止焊接過程中存在焊縫夾雜和氣孔等缺陷。第二，細化各通徑金屬軟管的焊接參數(shù)，適當減小焊接電流，從而減小因焊接電流過大對管坯組織造成的敏化影響。第三，在工藝中增加一次去應力退火處理，即金屬軟管整體焊接完成后，將軟管放置于真空爐內(nèi)進行退火處理，溫度為400℃±10℃，保溫2h，并隨爐冷卻。

5 結(jié)語

金屬軟管在焊接過程中因焊接電流過大，造成熱影響區(qū)內(nèi)敏化，使網(wǎng)狀碳化物增多，軟管承載能力降低。此外，焊接殘余應力和工作載荷的共同作用會造成管坯塑性開裂，使軟管發(fā)生泄漏。為解決以上問題，可通過優(yōu)化焊接參數(shù)和增加焊后去應力等措施，有效提高金屬軟管的可靠性。