壓力容器用鋼板卷制開裂失效原因分析

金彥楓

(1.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070；2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

0 引言

近年來，根據(jù)應(yīng)用場合的特殊性，石油、化工等領(lǐng)域壓力容器經(jīng)常使用復(fù)合板材料、大厚度材料，設(shè)計時既要考慮機械強度，又要考慮耐腐蝕等性能要求。但大厚度材料、復(fù)合板材料制造壓力容器時要求較高，制造難度較大，如常規(guī)爆炸復(fù)合板的質(zhì)量控制、較大厚度筒節(jié)的卷制技術(shù)、復(fù)合板基層和復(fù)合層的焊接問題、大厚度材料制壓力容器熱處理等，若控制不好，都將產(chǎn)生產(chǎn)品質(zhì)量隱患乃至重大安全事故。

近年來，國內(nèi)材料質(zhì)量雖然得到很大的提高，但各行業(yè)中使用的機械零部件的早期失效仍時有發(fā)生。壓力容器制造中的鋼板(包括復(fù)合板)卷制失效包括原材料內(nèi)部缺陷、材料表面缺陷、材料性能、卷制設(shè)備、卷制技術(shù)(始卷終卷溫度、操作等)等。通過失效分析，找出失效原因，提出有效改進(jìn)措施以防止類似失效事故的重復(fù)發(fā)生，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量及工程的安全運行[1-2]。

本文對壓力容器制造過程中，筒節(jié)卷制這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的兩例開裂問題進(jìn)行了分析： 通過宏觀檢測、化學(xué)成分分析、金相組織分析、硬度檢測、斷口分析等多種手段對卷制開裂失效進(jìn)行綜合研判，并對鋼板卷制前原材料表面狀態(tài)、纖維伸長率ε、卷制內(nèi)應(yīng)力、冷作硬化等多方面進(jìn)行了分析討論，結(jié)果表明，原材料易忽視的原始表面缺陷是失效原因之一，同時，制造過程的工藝控制也可以成為失效的主要原因。

1 鋼板卷制開裂情況

某設(shè)備預(yù)卷制筒節(jié),設(shè)計內(nèi)徑2 000 mm，鋼板材料牌號Q345R，厚度132 mm，熱處理狀態(tài)為正火態(tài)。卷制前的鋼板切除余量,然后采用溫卷方式卷制，溫度為600 ℃，保溫時間150 min,卷制過程中產(chǎn)生縱向裂紋,如圖1所示。

開裂過程為突然發(fā)生，并伴有巨大響聲。筒節(jié)長度2 430 mm，裂紋沿筒節(jié)縱向貫穿性開裂，在距離啟裂部位1 670 mm處擴展為2條分支裂紋，直至延伸至另一側(cè)板端，啟裂區(qū)裂紋深度90 mm，另一端裂紋深度分別為80，60 mm，均未貫穿壁厚。

該鋼板到廠進(jìn)行入廠驗收，檢驗項目為宏觀、尺寸、厚度檢測，檢驗結(jié)果合格；鋼板下料前進(jìn)行UT超聲波無損檢測，檢測結(jié)果合格。

2 鋼板卷制開裂失效分析

2.1 宏觀檢查

裂紋啟裂區(qū)位于板材外壁的一個棱線部位(鋼板本身邊沿的直角處，見圖2(a))，即鋼板卷制時的寬度方向和厚度方向的交界處，該部位裂紋張開間隙最大，約為5 mm，從間隙中可見斷口表面呈放射狀紋理，放射線收斂于棱線上，說明斷口與棱線的交點部位為裂紋源區(qū)，斷口表面呈銀白金屬色。筒節(jié)外表面和側(cè)表面垂直，源區(qū)所位于的棱線較尖銳，側(cè)表面有熱切割形成的條帶狀紋理，呈灰黑色。圖2(b)(c)分別為裂紋中間擴展區(qū)和裂紋最末端。

在圖1所示(鋼板上白線標(biāo)記)的區(qū)域截取樣品進(jìn)行試驗分析，其中包含啟裂區(qū)的試樣如圖3(a)所示;將板內(nèi)壁側(cè)未裂部分沿斷裂面鋸開，得到的斷口試樣如圖3(b)所示，可見斷口上存在大量撕裂棱，呈放射狀分布，放射線收斂于尖角部位，與取樣前觀察的結(jié)果一致。斷口整體較為平齊，取樣切割時因與水接觸,故斷口表面輕微銹蝕。

2.2 取樣及加工

在鋼板卷制前截取的余料上和斷口源區(qū)附近分別取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗，在源區(qū)位置取樣進(jìn)行金相分析、微區(qū)硬度分析和斷口形貌分析，取樣部位見圖4。

2.3 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對該送檢試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，滿足GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》對Q345R材料的要求。

2.4 金相組織分析

取樣部位如圖4所示，以與斷口平行的表面為檢驗面，檢驗面距裂紋源的最小距離為9.5 mm。

表1 Q345R化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》的規(guī)定，試樣經(jīng)機械拋光，采用硝酸酒精溶液腐蝕。檢驗結(jié)果為:板材熱切割的側(cè)邊形成熱影響區(qū)(見圖5)，自邊緣至母材依次為過燒區(qū)(見圖6)、過熱區(qū)(見圖7)、正火區(qū)(完全正火區(qū)和部分正火區(qū))、母材(見圖8)，熱影響區(qū)寬度約3.3 mm，在邊角部位的最大深度約為5.1 mm，過燒區(qū)寬度約0.5 mm。過燒區(qū)可見大量晶間微裂紋和孔洞(見圖9)，裂紋內(nèi)部有氧化物，氧化的晶界附近可見多個微小的復(fù)熔球，氧化物及復(fù)熔球的形態(tài)和成分見圖9。

2.5 力學(xué)性能分析

按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》和GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》的要求進(jìn)行拉伸試驗和沖擊試驗，按照GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》的要求進(jìn)行彎曲試驗，按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的要求進(jìn)行布氏硬度試驗，試驗結(jié)果見表2，3。

表2 鋼板卷制前余料的力學(xué)性能檢測結(jié)果

表3 裂紋源區(qū)附近試樣的力學(xué)性能檢測結(jié)果

2.6 微區(qū)硬度分析

按照GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的規(guī)定對裂紋源所在棱角部位進(jìn)行硬度測定(見圖5)，其結(jié)果如表4所示。

表4 微區(qū)硬度

2.7 裂紋斷口分析

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對斷口的微觀形貌進(jìn)行了觀察分析。斷口表面可見解理面、扇形花樣和撕裂棱，斷裂機理為準(zhǔn)解理斷裂，具體見圖10。

2.8 失效原因綜合分析

2.8.1 檢驗結(jié)果

(1)材料化學(xué)成分滿足GB 713—2014中的要求。

(2)母材金相組織為鐵素體+珠光體，組織正常，板材熱切割的側(cè)邊形成熱影響區(qū)，寬度約為3.3 mm，過燒區(qū)寬度約為0.5 mm，過燒區(qū)內(nèi)可見晶界氧化和孔洞。

(3)卷板前后的各項力學(xué)性能指標(biāo)均滿足GB 713—2014的要求，但前后屈強比變化明顯，卷板前長度和寬度方向的屈強比分別為0.63和0.68，而卷板后為0.88和0.80。

(4)源區(qū)所在的側(cè)邊棱線附近的微區(qū)內(nèi)硬度偏高，且過熱區(qū)相對母材區(qū)具有更高的硬度，邊緣棱角打磨圓滑過渡不好，切割熱影響區(qū)打磨去除不充分。

(5)斷口呈脆性準(zhǔn)解理斷裂特征。

2.8.2 分析討論

卷制前鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能滿足GB 713—2014要求，長側(cè)邊的切割熱影響區(qū)以外的母材金相組織正常，說明板材材質(zhì)和熱處理狀態(tài)滿足要求。

鋼板卷制時材料發(fā)生脆性斷裂的影響因素有：鋼板厚度與彎曲半徑、卷制方式(冷卷、溫卷、熱卷)、機械損傷和熱切割溝痕、邊緣棱角缺陷等[3-6]。

由于溫卷的加熱溫度通常在金屬的再結(jié)晶溫度以下，因此實質(zhì)上仍屬于冷加工范圍，滾彎過程仍會引起材料的加工硬化，尤其鐵基材料加熱到200～350 ℃左右(藍(lán)脆區(qū))時，材料強度升高、塑性降低，給繼續(xù)變形帶來困難。失效后的板材長度和寬度方向的屈強比分別為0.88和0.80，說明此時材料的抗變形能力很強，不易發(fā)生塑性變形。一般情況下，低合金鋼控制的屈強比為0.65～0.75。

由于筒節(jié)卷制時，鋼板產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、冷作硬化、鋼板裂紋等現(xiàn)象，實踐中，采用冷卷成形時，對材料的纖維伸長率ε有一定限制，其計算公式如下：

(1)

式中，ε為鋼板纖維伸長率(%)；c為系數(shù)，碳鋼c=50,高強度合金鋼c=65;t為鋼板厚度，mm;R為成形后彎曲半徑，mm，R0為原始彎曲半徑，mm,當(dāng)平板時R0=∞。

失效鋼板t=132 mm,R=1 000 mm，由鋼板一次卷制成形，即R0=∞。當(dāng)c=50時，纖維伸長率ε=6.6%;當(dāng)c=65時，ε=8.58%。一般碳素鋼材料的纖維伸長率不大于5%，高強度低合金鋼材料不大于3%[2]，當(dāng)超過時，應(yīng)當(dāng)分次卷制，每一次卷制后作中間熱處理，或采用熱卷工藝[7-10]。

鋼板長側(cè)邊存在切割熱影響區(qū)，熱影響區(qū)內(nèi)的過燒區(qū)存在晶界氧化現(xiàn)象，形成微裂紋缺陷，并且過燒組織中含有韌性極差的魏氏組織。鋼板截面的切割缺陷容易造成應(yīng)力集中，板材越厚，對缺陷的敏感性越強。鋼板的棱角較為尖銳，在卷制時易形成應(yīng)力集中而誘發(fā)開裂。

綜上所述，鋼板熱切割區(qū)部位不正常組織和存在的缺陷是導(dǎo)致開裂的部分原因。鋼板在卷制時卷制工藝不合理產(chǎn)生冷作硬化導(dǎo)致屈強比升高，進(jìn)一步變形產(chǎn)生困難，且棱角部位應(yīng)力集中促進(jìn)了開裂。

3 鋼板卷制開裂失效另一案例分析

3.1 開裂情況

復(fù)合板Q345R+S31603(90 mm+3 mm)板材在卷制筒節(jié)的預(yù)卷過程中發(fā)生開裂,開裂部位如圖11所示。

裂紋自鋼板長邊的側(cè)面起裂,沿鋼板寬度方向擴展,裂紋擴展長度約為鋼板寬度的4/5,裂紋較為平直,無分支，見圖12。

該鋼板到廠進(jìn)行入廠驗收，檢驗項目為宏觀、尺寸、厚度檢測，檢驗結(jié)果合格；鋼板取樣進(jìn)行性能復(fù)驗(-20 ℃沖擊試驗)，檢驗結(jié)果符合技術(shù)條件要求；鋼板下料前進(jìn)行UT超聲波無損檢測復(fù)驗，檢測結(jié)果合格。

3.2 失效原因分析及結(jié)論

材料化學(xué)成分滿足GB 713—2014要求；缺陷部位金相組織為回火馬氏體；金屬基材組織為鐵素體+珠光體，存在粗大的魏氏組織；拉伸試樣中1件抗拉強度超出標(biāo)準(zhǔn)要求上限(GB 713—2014中Q345斷裂強度最高620 MPa)，材料屈強比(0.81)較高，所有試樣沖擊功均小于標(biāo)準(zhǔn)要求(GB 713—2014中Q345 0 ℃沖擊功≥41 J)；原始缺陷表面附著大量氧化物，難以去除；斷口上碳鋼側(cè)脆性開裂，斷口呈準(zhǔn)解理特征；不銹鋼復(fù)層為韌性斷裂，呈韌窩特征；裂紋啟裂于原始表面缺陷部位，斷口上碳鋼側(cè)為脆性穿晶斷口，呈準(zhǔn)解理特征；不銹鋼復(fù)層為韌性斷裂，呈韌窩特征。板材缺陷部位表面存在起伏、不平整，在變形時，容易引起應(yīng)力集中。

綜合上段描述，可得出結(jié)論：板材邊緣原始表面缺陷部位存在回火馬氏體組織，是發(fā)生脆性開裂的主要原因。

3.3 目視檢測及分析討論

NB/T 47013.7—2012《承壓設(shè)備無損檢測 第7部分：目視檢測》明確規(guī)定：目視檢測是觀察分析和評價被檢件狀況的一種無損檢測方法，指用人眼或借助某種目視輔助器材對被檢件進(jìn)行的檢測。對此鋼板復(fù)合板，在出廠或入廠檢驗時若仔細(xì)檢測，定能發(fā)現(xiàn)其側(cè)面表面狀態(tài)的不合格，如圖13所示，其表面明顯不平整，存在較明顯的修磨痕跡，其修磨對材料表面進(jìn)行硬度強化，改變了局部組織性能，為后續(xù)卷制過程埋下了隱患。

同時目視檢測標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，若目視檢測發(fā)現(xiàn)異常情況，且不能判斷缺陷的性質(zhì)和影響時，可采用厚度測量、硬度測量、金相組織檢驗、磁粉或滲透等其他無損檢測方法對異常處進(jìn)行檢測和評價。對其打磨處進(jìn)行硬度檢測，硬度值明顯偏高，因此目視檢測是第一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時結(jié)合其他無損檢測方法可有效預(yù)防零部件材料或產(chǎn)品在制造過程中的失效。

目視檢測的局限性就是受人為因素影響較大，同時對有遮擋的工件表面不能有效檢測。針對此復(fù)合板材料，由于檢測時忽視了側(cè)面這一環(huán)節(jié)，導(dǎo)致了整張復(fù)合板報廢的事故。

4 結(jié)語

(1)卷制工藝不合理產(chǎn)生冷作硬化導(dǎo)致屈強比升高，進(jìn)一步變形產(chǎn)生困難，且棱角部位應(yīng)力集中促進(jìn)了開裂。同樣，熱切割區(qū)部位不正常組織和存在的缺陷是引起開裂的促發(fā)因素，因此筒體冷卷(包括溫卷)時，一定要考慮由于材料加工冷作硬化使材料強度升高、塑性降低給變形帶來的影響，變形率較大時，應(yīng)分次卷制，每一次卷制后作中間熱處理，或采用熱卷工藝。

(2)板材邊緣原始表面缺陷部位存在回火馬氏體組織，引起脆性開裂。而板材邊緣(即寬度方向)的表面缺陷僅是材料制造中進(jìn)行的一次修磨處理，目視檢測就是檢測這個缺陷問題的必要環(huán)節(jié)，也是預(yù)防此重大失效的關(guān)鍵無損檢測方法，在鋼板卷制成形之前，必須對鋼板側(cè)邊緣進(jìn)行目視檢查，打磨消除側(cè)邊棱角，并圓滑過渡，打磨標(biāo)準(zhǔn)以硬度檢測為準(zhǔn)，硬度驗收參照原材料證明文件。必要時進(jìn)行MT檢測。

(3)筒節(jié)制造是卷焊制壓力容器的關(guān)鍵工序，其制造工藝的優(yōu)化、原材料的完好狀態(tài)(包括表面和內(nèi)部)、入廠后的檢驗復(fù)驗(包括目視檢測)等都是其質(zhì)量保證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。