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某工業(yè)水泥廠在2024年1月檢修期間，發(fā)現(xiàn)某分汽缸筒體與封頭焊接接頭處存在多條裂紋。該分汽缸于2012年6月生產(chǎn)，主體為單層板焊結(jié)構(gòu)，臥式支座，設(shè)計(jì)壓力為0.22MPa，設(shè)計(jì)溫度為180℃，設(shè)計(jì)使用介質(zhì)為水、蒸汽。筒體和封頭材料為Q235B鋼，規(guī)格為4540mm×800mm×8mm（外徑×長度× 壁厚）。資料顯示，該容器自2013年投入使用以來，已先后經(jīng)歷過兩次開裂補(bǔ)焊操作，第一次補(bǔ)焊發(fā)生時(shí)間為2020 年，容器出現(xiàn)環(huán)向裂紋并進(jìn)行補(bǔ)焊，第二次發(fā)生時(shí)間為2022年，容器出現(xiàn)多處環(huán)向和縱向裂紋并經(jīng)歷了補(bǔ)焊操作。為保障設(shè)備的安全運(yùn)行，研究人員采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該分汽缸焊接接頭的開裂原因進(jìn)行分析，并制定了相應(yīng)的預(yù)防措施，以避免該類事故再次發(fā)生。

01 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂分氣缸宏觀形貌如圖1所示，圖1中編號(hào)①為2018年環(huán)向焊縫補(bǔ)焊區(qū)域，編號(hào)②為2020年環(huán)向和縱向焊縫補(bǔ)焊區(qū)域。分汽缸蒸汽管入口側(cè)筒體與封頭焊縫區(qū)可見多處補(bǔ)焊痕跡，補(bǔ)焊焊口沿封頭環(huán)焊縫環(huán)向和縱向分布，部分環(huán)向補(bǔ)焊口位于主焊縫的熱影響區(qū)，該處出現(xiàn)補(bǔ)焊位置重疊現(xiàn)象，同時(shí)一些縱向補(bǔ)焊口直接貫穿主焊縫區(qū)。補(bǔ)焊口外表面凹凸不平，存在焊縫余高過大，以及明顯的內(nèi)凹、咬邊現(xiàn)象。將分汽缸沿蒸汽管入口側(cè)筒體切斷，觀察筒體內(nèi)表面，發(fā)現(xiàn)筒體底部存在大量積水及黑色污泥狀沉積物。將內(nèi)表面沉積物清理后觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫位置存在多條長短不一的環(huán)向或縱向裂紋，其中最長一條裂紋位于內(nèi)表面焊縫焊趾處，裂紋長度約為30mm，裂紋開口較大，內(nèi)部填充氧化腐蝕產(chǎn)物?，F(xiàn)場測(cè)量分汽缸封頭的壁厚，最小值為7.56mm，筒體壁厚最小值為8.04mm，整個(gè)筒體未見明顯減薄及鼓包、變形。

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

在開裂位置分別截取筒體、母材和焊縫區(qū)域試樣，對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》制備寬度為10mm的條狀試樣，采用電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)該試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》制備尺寸為5mm×10mm×55mm（長度×寬度×高度）的夏比V型缺口試樣，采用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)該試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)；采用全自動(dòng)布氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表1所示。由表1可知：材料的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、布氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的要求，但焊縫試樣的屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求（≥ 235MPa），同時(shí)焊縫附近區(qū)域的沖擊吸收能量僅為18J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，表明材料變得硬且脆。

1.3 金相檢驗(yàn)

在分汽缸開裂補(bǔ)焊位置截取母材和焊縫試樣，將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：補(bǔ)焊位置區(qū)域筒體母材、焊縫的顯微組織均為鐵素體+珠光體，部分珠光體區(qū)域存在碳化物擴(kuò)散，球化級(jí)別均為2.0級(jí)；上部焊縫區(qū)組織為先共析鐵素體和珠光體，呈枝晶狀分布，下部熱影響區(qū)為過熱的珠光體和鐵素體。在補(bǔ)焊位置的靠近筒體與焊縫截面熔合線處可見一條長度約為5mm 的裂紋，裂紋啟裂于焊縫焊趾處，沿焊縫熔合區(qū)由內(nèi)表面向外表面擴(kuò)展，止裂于2/3焊縫厚度位置。開裂形式主要為沿晶開裂，部分為穿晶開裂，主裂紋附近可見大量二次裂紋，二次裂紋呈樹枝狀，多數(shù)為沿晶開裂，主裂紋和二次裂紋被氧化物填充。

1.4 掃描電鏡（SEM）和能譜分析

用掃描電鏡對(duì)人工打開斷口區(qū)進(jìn)行觀察和能譜分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂區(qū)被一層龜裂狀腐蝕產(chǎn)物覆蓋，能譜分析結(jié)果顯示腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分主要為鐵、氧、碳元素，還有少量的鈉、磷、硫元素。采用體積分?jǐn)?shù)為5%的稀鹽酸清洗斷口，將其置于掃描電鏡下觀察，斷口由內(nèi)表面開裂區(qū)和近外表面的少量撕裂區(qū)組成。斷口開裂形式主要為沿晶開裂，部分為穿晶開裂，撕裂區(qū)域可見明顯韌窩形貌，并存在大量沿晶二次裂紋。

1.5 X射線衍射分析

對(duì)分汽缸內(nèi)的積水和底部沉積物進(jìn)行取樣化驗(yàn)，同時(shí)采用X射線衍射儀分別對(duì)斷口部位的腐蝕產(chǎn)物、殘留水樣結(jié)晶物進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖4 所示。分汽缸內(nèi)部殘留積水中Na+ 的質(zhì)量濃度達(dá)到46870mg/L，底部沉積物中Na元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.05%，遠(yuǎn)超過正常范圍。物相分析結(jié)果表明，斷口表面的腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3、Fe3O4，殘留水樣結(jié)晶物主要成分為Na6CO3(SO4)2和CaSO4。

02 綜合分析

分汽缸整體未見明顯的減薄、鼓包、變形現(xiàn)象。母材和封頭焊縫外表面可見沿焊縫環(huán)向和縱向的挖補(bǔ)焊縫，存在補(bǔ)焊位置重疊現(xiàn)象。補(bǔ)焊口外表面凹凸不平，存在焊縫余高過大及明顯的內(nèi)凹、咬邊現(xiàn)象，筒體內(nèi)表面焊趾處存在環(huán)向裂紋和縱向裂紋。筒體底部可見大量積水及黑色污泥狀沉積物，取樣化驗(yàn)結(jié)果表明分汽缸內(nèi)部殘留積水中Na+質(zhì)量濃度達(dá)到46870mg/L，底部黑色沉積物中Na 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.05%，均高于正常值。分汽缸筒體和封頭母材的力學(xué)性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫近裂紋區(qū)的屈服強(qiáng)度及沖擊吸收能量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值。筒體母材的顯微組織均為鐵素體+珠光體，部分珠光體區(qū)域存在碳化物擴(kuò)散。焊縫區(qū)為先共析鐵素體和珠光體，呈枝晶狀分布，熱影響區(qū)為過熱的珠光體和鐵素體。筒體與焊縫焊趾處存在一條沿熔合區(qū)開裂的沿晶主裂紋，主裂紋附近可見大量沿晶二次裂紋。人工打開裂紋，可見斷口表面附著一層腐蝕產(chǎn)物和部分水樣結(jié)晶物，腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3、Fe3O4，殘留水樣結(jié)晶物主要成分為Na6CO3(SO4)2和CaSO4。清洗斷口后，發(fā)現(xiàn)斷口開裂形式以沿晶開裂為主，部分為穿晶開裂，在人工撕裂區(qū)域存在明顯韌窩形貌，并存在大量沿晶二次裂紋。

容器制造資料表明，其采用氬弧焊打底，手工電弧焊蓋面的焊接方式。由于焊接操作不當(dāng)，焊縫表面存在較大的余高及咬邊，這種位于焊縫表面的幾何不連續(xù)極易使材料形成應(yīng)力集中。鍋爐水質(zhì)化驗(yàn)記錄顯示，該臺(tái)鍋爐自2018年以來，水的pH保持在11.6~12.4，pH偏高，蒸汽中呈現(xiàn)出典型的高溫堿性環(huán)境。當(dāng)鍋爐在長期變載荷下運(yùn)行時(shí)，主蒸汽進(jìn)入分汽缸過程中形成沖擊載荷，應(yīng)力集中區(qū)域會(huì)形成微小的裂紋。同時(shí)蒸汽品質(zhì)不高，攜帶大量的堿金屬，碳酸根、硫酸根離子也一同進(jìn)入分汽缸中，在高溫堿性環(huán)境下發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)，生成NaFeO2和Na2FeO2，這兩種物質(zhì)為疏松多孔的磁性氧化物，其在分汽缸內(nèi)表面不斷聚集、沉積，并與爐水中的碳酸根離子和硫酸根離子接觸，水解成疏松的Na6CO3(SO4)2和CaSO4，破壞了金屬表面的Fe3O4 保護(hù)膜。腐蝕性堿金屬碳酸鹽在焊縫粗糙表面、焊縫焊趾，以及存在內(nèi)凹、咬邊、錯(cuò)邊等缺陷位置進(jìn)一步發(fā)生濃縮，并在局部間隙中形成小陽極、大陰極的電偶腐蝕，在蒸汽沖擊載荷的作用下，材料發(fā)生典型的堿應(yīng)力腐蝕開裂。

根據(jù)現(xiàn)場了解，該分汽缸在第一次發(fā)生熱影響區(qū)環(huán)向裂紋泄漏時(shí)，焊接人員僅對(duì)裂紋處進(jìn)行打磨，并未進(jìn)行圓滑過渡和加工坡口，導(dǎo)致補(bǔ)焊口表面存在焊縫余高過大，以及明顯的內(nèi)凹、咬邊缺陷，進(jìn)一步促進(jìn)了堿應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展。同時(shí)，補(bǔ)焊位置與原封頭環(huán)焊縫間距不足，焊接過程中產(chǎn)生的高熱量直接加熱封頭環(huán)焊縫，使封頭環(huán)焊縫處于過熱狀態(tài)，接頭變得硬而脆，材料的顯微組織表現(xiàn)為過熱狀態(tài)，整體力學(xué)性能下降。當(dāng)分汽缸重新投入使用后，由于堿應(yīng)力腐蝕環(huán)境不變，封頭環(huán)焊縫和補(bǔ)焊位置的整體力學(xué)性能下降，因此分汽缸在承受較大徑向應(yīng)力時(shí)發(fā)生多處縱向開裂，而焊接人員依然采取不合格的焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，致使該分汽缸再一次發(fā)生開裂泄漏事故。

綜上分析，分汽缸開裂的主要原因是焊接工藝不對(duì)，焊縫間距較小，在補(bǔ)焊位置形成過熱區(qū)，導(dǎo)致材料性能下降，同時(shí)焊工操作不當(dāng)，焊縫表面和焊趾區(qū)存在錯(cuò)邊、咬邊等缺陷，材料形成局部應(yīng)力集中。當(dāng)蒸汽攜帶大量堿金屬化合物進(jìn)入分汽缸時(shí)，在焊接接頭內(nèi)凹、咬邊、錯(cuò)邊位置發(fā)生沉積和濃縮。隨著焊接接頭開裂敏感性進(jìn)一步提高，在不斷的蒸汽沖擊載荷作用下，最終材料發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂。

03 結(jié)論與建議

（1）分汽缸開裂的原因是母材和封頭補(bǔ)焊區(qū)域的焊接工藝執(zhí)行不到位，焊縫間距過小并形成過熱區(qū)，同時(shí)焊縫表面存在錯(cuò)邊、咬邊缺陷，在局部形成焊接殘余應(yīng)力，在高溫堿金屬鹽蒸汽環(huán)境及蒸汽壓力的作用下，材料發(fā)生堿應(yīng)力腐蝕開裂。

（2）加強(qiáng)蒸汽和水質(zhì)量的監(jiān)督，嚴(yán)格控制蒸汽中腐蝕性介質(zhì)的含量。

（3）嚴(yán)格執(zhí)行正確的焊接工藝，減少焊接缺陷，避免出現(xiàn)焊接過熱現(xiàn)象；采取合適的焊后熱處理工藝，消除由于焊接作業(yè)帶來的應(yīng)力集中。

（4）加強(qiáng)焊接接頭的宏觀觀察和無損檢測(cè)，消除焊接產(chǎn)生的內(nèi)凹、咬邊、錯(cuò)邊等易形成沉積液位置，對(duì)補(bǔ)焊位置進(jìn)行表面缺陷檢測(cè)和內(nèi)部埋藏性缺陷檢測(cè)。

單位：龔光平，馬源旺，張凱，張凱博，陳晨