分享：某储气罐角焊缝开裂原因

焊接裂纹是在焊接应力及其他因素的共同作用下，材料的原子结合遭到破坏，形成新界面而产生的缝隙[1]。近年来，随着机械、能源、石油化工等工业的发展，各种焊接结构也日趋大型化、高参数化，在生产中，这些焊接结构最常出现的、危害最大的焊接缺陷之一就是焊接裂纹。焊接裂纹种类繁多，产生的原因各不相同。有些焊接裂纹会在焊后立即产生，有些焊接裂纹则可能在焊后一段时间才产生，也有些焊接裂纹是焊接结构在服役过程中，在外界条件诱导下产生的，因此预防焊接裂纹的产生较困难[2-4]。 

某公司新投入使用的储气罐使用不足1 a即发生开裂泄漏。经检查，漏点位于筒体与进气接管的位置。该储气罐筒体材料为Q345R钢，规格为2 000 mm×12 mm（外径×壁厚），设计压力为1.58 MPa，设计温度为50 ℃，容积为12 m3，工作介质为空气、氮气、氩气；接管材料为20钢，规格为89 mm×6 mm（外径×壁厚），执行标准为GB/T 8163—2018 《输送流体用无缝钢管》。笔者采用一系列理化检验方法对储气罐开裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

将漏点附近的防腐漆去除，观察储气罐外部的宏观形貌，结果如图1所示。由图1可知：表面裂纹沿角焊缝分别向筒体和接管侧开裂，除少量锈迹外，未见异常腐蚀产物。 

图  1  储气罐外部宏观形貌

沿角焊缝将裂纹完整切取，沿轴线方向观察储气罐内部，结果如图2所示。由图2可知：接管内壁可见两条独立裂纹，结合角焊缝内、外表面裂纹特征，确定两条裂纹已贯穿壁厚，但未交汇连接，未交汇处位于焊缝区。初步推测，裂纹起源于焊缝区，并分别向筒体和接管两侧扩展。 

图  2  储气罐内部宏观形貌

在裂纹附近取角焊缝接头进行宏观金相检验，按GB/T 6417.1—2005《金属熔化焊接头缺欠分类及说明》标准评定，角焊缝接头存在未熔合缺陷（见图3）。 

图  3  角焊缝接头宏观形貌

将贯穿裂纹打开，表面可见红棕色腐蚀产物，清洗后观察，断口表面平齐，无明显塑性变形，具有脆性断裂特征（见图4）。 

图  4  断口的宏观形貌

1.2   化学成分分析

依据GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，采用全谱直读光谱仪对储气罐筒体、接管及焊缝的化学成分进行分析，结果如表1~3所示。由表1~3可知：储气罐筒体的化学成分符合GB 713—2014 《锅炉和压力容器用钢板》对Q345R钢的要求；接管的化学成分符合GB/T 8163—2018对20钢的要求；焊缝的化学成分符合GB/T 5117—2012 《非合金钢及细晶粒钢焊条》对E5015钢的要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）及能谱分析

利用扫描电镜观察断口的微观形貌，结果如图5所示。由图5可知：断口上可见清晰的解理台阶，呈典型的脆性开裂特征，与断口的宏观形貌吻合。 

图  5  断口SEM形貌

对断口表面腐蚀产物进行能谱分析，分析位置如图4所示，分析结果如表4所示。由表4可知：断口表面以Fe、O元素为主，未见腐蚀性元素。 

1.4   金相检验

依据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》，对角焊缝接头进行金相检验，结果如图6，7所示。由图6，7可知：筒体母材的显微组织为铁素体+珠光体，接管母材的显微组织为铁素体+珠光体，焊缝区呈现粗大的树枝晶组织，热影响区具有明显的粗晶区。 

图  6  筒体侧显微组织形貌

图  7  接管侧显微组织形貌

角焊缝接头右侧焊趾部位可见一条微裂纹（见图8），裂纹沿粗晶区开裂，以穿晶形式扩展（见图9）。沿截面向裂纹左侧观察，发现接管侧热影响区的宽度远超正常的管-板角接接头热影响区的宽度，甚至远离角焊缝的接管母材组织也发生了相变，由正常的铁素体+珠光体完全变成了魏氏组织，且越接近接角焊缝，原奥氏体晶粒度越大（见图10）。 

图  8  角焊缝接头右侧焊趾部位微观形貌

图  9  裂纹的微观形貌

图  10  角焊缝下侧接管显微组织形貌

2.   综合分析

储气罐筒体和接管材料的化学成分符合相关标准。宏观断口表面平齐，无明显塑性变形痕迹，具有脆性断裂特征。断口上可见清晰的解理台阶，呈脆性解理开裂特征，故确定储气罐角焊缝发生了脆性开裂。 

焊接接头存在未熔合缺陷，但起裂点不在该缺陷处，说明开裂并非因未熔合缺陷引起。筒体母材组织正常，由铁素体和珠光体组成，筒体侧热影响区由熔合区、粗晶区、细晶区组成，接管侧热影响区组织与筒体侧热影响区组织形态无明显差异，接管母材组织正常，同样由铁素体和珠光体组成。但接管侧热影响区的宽度远超正常管-板角接接头热影响区的宽度，靠近角焊缝接管组织的铁素体+珠光体形态完全消失，且沿壁厚方向，整个截面完全呈魏氏组织形态。焊接接头热影响区粗晶区形成魏氏组织，符合冷却转变规律[5]，但是接管整个截面均形成了魏氏组织，说明接管在焊接过程中发生了严重过热。魏氏组织是碳钢或合金钢过热相变后经冷却形成的组织，是钢的一种过热缺陷组织。魏氏组织会导致钢的力学性能，特别是冲击韧性和塑性显著降低，并可提高钢的韧-脆转变温度，增加钢发生脆性断裂的敏感性[6-8]。 

脆性断裂主要分为低温脆裂和腐蚀环境脆裂。能谱分析结果显示，贯穿的裂纹面上除Fe、O元素外，无其他腐蚀性元素，说明开裂与腐蚀环境无关。根据委托方提供的信息可知，该储气罐开裂泄漏时正是冬季雨雪天气，环境温度普遍低于0 ℃。在低温环境下焊接接头韧性进一步降低，在焊接残余应力和工作应力的作用下，焊缝近熔合线处开始萌生裂纹，随着时间的推移，裂纹会优先在热影响区扩展交汇，逐渐延伸至接管和筒体两侧，由于接管和筒体母材韧性较好，裂纹扩展速率降低，直至裂纹中止。 

3.   结论与建议

（1）由于焊接热输入量过大，焊缝出现粗大的枝晶组织，且入口接管侧母材严重过热，组织相变形成魏氏组织，降低了角焊缝接头的韧性，在焊接残余应力和工作应力的共同作用下，焊缝近熔合线处萌生了微裂纹，裂纹优先在热影响区扩展，最终导致储气罐焊缝发生了脆性开裂。 

（2）建议在储气罐制造及维修过程中，严格执行NB/T 47014—2023 《承压设备焊接工艺评定要求》标准，控制热输入量，减少过热组织，避免产生焊接缺陷。

文章来源——材料与测试网