304H不锈钢管道焊缝开裂失效分析

时间：2024-05-22

陈刚 *

（上海赛科石油化工有限责任公司）

0 引言

某苯乙烯管道在服役时发生焊缝开裂失效。该管道公称直径为2 400 mm，公称厚度为25 mm，长为30.8 m，管道材质为304H，焊条材质为308H，采用埋弧自动焊。管道内介质为苯乙烯，其设计温度和压力分别为649 ℃和0.21 MPa，实际操作温度和压力分别为574 ℃和-0.045 MPa。

该失效管道于2009 年投用，于2016 年时产生焊缝开裂，开裂沿焊缝中心线分布。开裂焊缝位于管道支吊架的吊带处，管道走向及开裂位置如图 1 所示。为了确定该管道焊缝失效的原因，对其进行了分析。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌

图1 焊缝开裂位置示意图

将裂纹中未穿透内裂纹进行取样分析。焊缝表面打磨后的形貌如图 2 所示，裂纹出现在内壁焊缝中线位置，并沿焊缝方向分布。为了观察裂纹扩展过程，截取该未穿透裂纹截面，如图 3 所示。从图 3 可以看出，该失效焊缝为两面焊接，裂纹从内壁起裂，向外壁方向扩展。

图2 未穿透内裂纹形貌

图3 焊缝剖面图

1.2 金相检验

在焊缝剖面图上标出金相观察位置并标出焊道示意图，如图 4 所示。其中位置1 处的金相形貌如图 5 a）所示，裂纹并非从内壁表面起裂，而是从焊缝近表层起裂。裂纹处于中心线位置，并平行于柱状晶，沿晶开裂。裂纹尖端位置11 处的金相形貌如图 5 b）所示，除了尖端裂纹外，附近的平行柱状晶间也有裂纹分布。同时中心线处柱状晶呈垂直壁厚方向，其余位置柱状晶呈平行壁厚方向，整体焊缝晶粒方向如图 6 所示。

图4 金相观察位置及焊道示意图

图5 金相形貌照片

图6 焊缝晶粒方向示意图

1.3 扫描电镜分析

对内焊缝中心线位置进行SEM 电镜观察，从裂纹位置放大后的形貌照片中观察到晶间析出物，同时焊缝其他位置也观察到了析出物，如图 7 所示。对内焊缝处的析出物进行分析后可知，析出物中Cr 含量较高，推测其为碳化物或呈sigma 相。图8 所示为断口扫描电镜形貌，裂纹沿着焊接枝晶间扩展。

图7 焊缝扫描电镜形貌

图8 沿枝晶间扩展的断口形貌

1.4 化学成分分析

按照ASTM A240/A240M-2017 "Standard Specification for Chromium and Chromium-Nickel Stainless Steel Plate, Sheet, and Strip for Pressure Vessels and for General Applications"标准分别对焊缝及母材进行化学成分分析，其结果如表 1 所示。根据ASTM A240/A240M-2017 标准可知，材料化学成分符合要求。

1.5 焊缝受力分析

鉴于开裂的焊缝位于吊带接触受力部位，为了分析吊带对焊缝施加的应力，建立管道及吊带的有限元模型并进行模拟计算，分析焊缝处的应力分布情况。

表1 试块化学成分检测结果（质量分数）

选取吊带周围1 m 的管道进行建模，如图9 所示。其中管道外径为2 438 mm，壁厚为25 mm，外压为0.045 MPa。支架支撑吊带的宽度为300 mm，厚度为15 mm，外壁焊缝宽度为25 mm，余高为3 mm，内壁余高为2 mm。设定焊缝余高凸起与支撑吊带均匀接触，并对焊缝处网格进行加密。根据管线整体模拟得到管道的轴力、剪力、弯矩、扭矩，加载该管道模型的边界条件并求解，焊缝与支撑吊带均匀接触情况下的有限元分析结果如图10 所示。在焊缝与支撑吊带接触区域内，焊缝处出现应力集中情况。其中内焊缝底部出现应力峰值，其值为22.4 MPa，外焊缝应力峰值位于管道侧面，其值为15 MPa。在实际焊接过程中，考虑到焊缝区加热冷却会使其收缩不均匀，管道截面可能存在一定程度的变形。根据这一假设，在原先均匀接触的基础上，在管道底部增加20 mm凸起并进行分析，结果表明，受到截面不均匀接触的影响，内焊缝应力峰值可达240 MPa，如图 11 所示。

图9 有限元模拟模型

图10 均匀接触时管道应力分布云图

图11 不均匀接触时管道应力分布云图

2 分析与讨论

2.1 再热裂纹

为了改善材料的组织结构减少残余应力，焊件需经过焊后热处理（PWHT）或焊后消除应力热处理，期间出现的裂纹称为再热裂纹及消除应力裂纹。这是由于在焊接及服役过程中，碳化物与金属化合物等强化相在晶界析出，晶内强度升高，晶界应变能力下降，经过焊后再加热以及高温服役，材料应力松弛导致晶间裂纹。再热裂纹位于347 不锈钢的焊缝热影响区和焊缝，母材的融合区域以及部件较厚区域十分敏感。此外，321 以及304H 和316H 等不锈钢均会产生再热裂纹。

再热裂纹通常发生在熔合线附近的粗晶区中，从焊趾部位开始，至细晶区停止。再热裂纹或者应力松弛裂纹不仅在热影响区产生，在焊缝上也会产生再热裂纹。Boellinghaus 等[1]在研究中提及了347 不锈钢焊接再热裂纹案例，裂纹产生于焊接填充金属大构件的焊后去应力热处理过程中。本次研究的304H 材料焊件在焊后消除应力热处过程中，碳化物在晶内析出，使得其强度高于晶界，应力充分释放，裂纹沿晶界产生，这一现象在热影响区和焊缝中都能观察到[2]。沿晶析出相导致晶界产生应变集中，断裂模式为韧性的沿晶断裂，断口上有细小的韧性韧窝。

由于本例中焊缝裂纹在管道服役5 年后发生，而不是焊后热处理后随即发生，因此裂纹更有可能是由于应力松弛开裂导致的[3-4]。

2.2 应力松弛裂纹

应力松弛裂纹产生机理与再热裂纹类似，但再热裂纹是在焊后热处理后短时间内发生开裂，而应力松弛裂纹则是焊缝在500～700 ℃下工作10 000～100 000 h后发生的[5-7]。应力松弛晶间裂纹析出物产生机理与再热裂纹相同，但应力来源不同，发生应力松弛裂纹的管道受到的应力可能为高约束或应力集中。

在本例中，焊缝内存在析出相，这是由于在高温服役期间，原子发生热扩散，导致碳化物及sigma脆性相析出，管道在高温服役应力松弛过程中产生晶间裂纹。对于300 系列不锈钢，应力松弛裂纹常常在525～600 ℃的情况下发生，应力的来源有多种可能，如厚壁窄焊缝的高拘束应力、或者几何形状导致的应力集中等。本例中应力来源推测为管道焊接过程中存在严重的残余应力，该焊接接头为X 型坡口，应采用内外壁交替的焊接工艺，而实际焊接采用先焊接外壁后焊接内壁工艺，导致内壁焊缝的残余应力过大。

同时开裂的焊缝处在支吊架3 的吊带上。由于焊缝存在余高，吊带加载力只作用在焊缝的余高上，导致焊缝受力峰值出现在管道底部（内焊缝侧）。该峰值应力与焊接残余应力叠加，焊缝的整体应力水平升高。同时由于焊缝余高高度不均匀以及管道卷制时具有一定椭圆度，焊缝受到不均匀接触影响，导致凸起处焊缝所受应力较高。