碳素钢焊接裂缝爆裂的失效分析

【摘要】本文采用宏观形貌、金相组织和断口观察以及成分分析和力学性能测定等方法，分析了某20钢高温输水管爆裂的原因。结果表明，断裂失效发生在焊缝部位，焊缝组织存在明显蠕变现象，断口起裂处具有典型脆性断裂特征，裂纹内有腐蚀产物，属于典型应力腐蚀裂纹。裂纹扩展后期近外表面处具有蠕变疲劳裂纹特征。应力腐蚀裂纹是该热水管爆裂失效的主要原因。

【关键词】20钢 焊缝 热水管 应力 腐蚀 爆裂

1 前言

热水管是大型锅炉和炼化设备的重要组成部分，由于长期处于高温高压工作环境下较容易发生爆裂事故，严重影响正常的生产运行。热水管的焊接接头部位由于异种材料焊接或焊接过程中出现的焊接缺陷、组织劣化及夹杂等原因成为热水管最薄弱的环节，在高温、应力及腐蚀的作用下容易发生蠕变疲劳或应力腐蚀裂纹，较其它部位更易发生断裂。本文研究了失效管段和焊缝材质的组织、力学性能、断口形貌及腐蚀产物，并结合材料环境断裂失效理论，对该热水管的失效原因进行分析。

2 实验方法

针对爆裂热水管的失效情况，运用宏观形貌观察初步判断失效特征和裂纹源位置；通过对失效部位的金相组织分析、化学成分、夹杂物和力学性能分析研究失效管段的材质性能劣化特征规律及其原因；通过断口形貌、裂纹扩展、腐蚀产物形貌分析等手段研究管道爆裂的性质与原因。其中化学成分分析采用能谱法，金相组织、断口形貌观察采用扫描电子显微镜，材料力学性能分析包括力学性能和断裂韧性分析。

3 实验结果

图1？20钢热水管的微观结构

3.2 断口分析

断口附近管壁未发生明显塑性变形，断裂为脆性断裂；断口处于焊接接头部位，部分断口沿焊合面开裂，其余沿焊合区开裂。按断口形貌可将主断面划分为二个区域，靠近管内的区域覆盖有大量的腐蚀产物，断面基本与内壁垂直，裂纹壁陈旧；断口其余部分主要沿焊合面断裂，裂纹较新，腐蚀产物较少，说明裂纹先从热水管内壁萌生。为了进一步分析热水管的断裂原因，对断口形貌进行SEM观察，断口上近内壁侧的裂纹壁腐蚀较严重，存在明显的腐蚀产物层和较多尺寸较大的点蚀坑，表明裂纹由管内壁萌生。管壁中部的断口表面较平整，其微观形貌具有明显的脆性断口特征，由此推断失效原因可能是由焊接残余应力和热应力条件下发生的应力腐蚀断裂导致的。近外壁断口的宏观形貌呈现明显的疲劳断口条纹形貌，其微观形貌呈现典型的韧窝状韧性断裂特征，这是由于管壁在断裂的最后阶段断口处发生明显的应力集中，管内温度和压力的波动所产生的周期性载荷引起快速的疲劳断裂，最终导致管道的突然爆裂。为了进一步确认热水管失效的原因，对断口上点蚀坑及裂纹尖端的腐蚀产物进行EDS分析，裂纹起始部位和裂纹尖端的腐蚀产物相近，均为Fe的氧化物，而且在裂纹尖端的腐蚀产物中检测到Cl的存在，该结果表明失效管道内的介质具有一定的腐蚀性物质，当其浓度在腐蚀产物层下积聚至一定浓度，就会对局部腐蚀产生促进作用。

应力腐蚀裂纹是20钢热水管焊缝爆裂失效的主要原因，焊缝及热影响区材质的蠕变缺陷对应力腐蚀萌生具有促进作用，裂纹疲劳扩展是裂纹后期扩展的主要模式。

参考文献

[1] 张亚明，等.蒸汽锅炉炉管爆裂失效分析[J].腐蚀科学与防护技术，2008

[2] 梁军，等.过热器管异种钢焊接接头早期失效的调查分析[J].华北电力技术，2006