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     某批次規(guī)格為EHA400*12的S30403封頭在投入使用兩年后，封頭底部發(fā)生開(kāi)裂泄露，為查明其開(kāi)裂原因，對(duì)其宏觀形貌、化學(xué)成分、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、金相、腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。結(jié)果表明：該S30403封頭內(nèi)壁筋板根部一側(cè)焊縫局部焊趾處存在未熔合缺陷，HCl等富Clˉ的工作介質(zhì)易由未熔合缺陷進(jìn)入并沉積在搭接間隙內(nèi)腔，在服役壓力、焊接殘余應(yīng)力和加工應(yīng)力的共同作用下，導(dǎo)致焊接薄弱處和封頭表面應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

 

1、概述

 

      公司生產(chǎn)的某批次共計(jì)6 只規(guī)格為EHA400*12的S30403封頭在交付客戶使用兩年后，其中2只封頭在服役過(guò)程中發(fā)生開(kāi)裂泄露。該批次封頭生產(chǎn)工藝如下：鋼板切圓-680T冷沖壓成型-坡口-研磨-酸洗-交付?？蛻魧?duì)泄露的封頭進(jìn)行滲透探傷確定泄漏位置后，將泄漏位置外壁進(jìn)行打磨和補(bǔ)焊處理（如圖1a所示），補(bǔ)焊所用焊絲熔敷金屬材質(zhì)為E308L-16。由設(shè)備銘牌可知（如圖1b所示），封頭內(nèi)工作介質(zhì)中存在HCl等富Clˉ的化合物。

 

 

2、失效分析

 

      為查明其開(kāi)裂原因，對(duì)其中1只開(kāi)裂封頭進(jìn)行宏觀形貌、化學(xué)成分、機(jī)械性能、耐腐蝕性能、斷口形貌、金相組織進(jìn)行檢測(cè)及分析。

 

2.1 宏觀形貌   

 

     圖2為封頭內(nèi)、外壁表面宏觀照片，封頭內(nèi)壁中間存在一塊筋板，筋板根部與封頭內(nèi)壁通過(guò)兩側(cè)的角焊縫連接，封頭內(nèi)壁存在大量紅褐色銹蝕產(chǎn)物，觀察發(fā)現(xiàn)，封頭外壁補(bǔ)焊焊縫恰位于筋板根部與封頭的角焊縫處。對(duì)該封頭進(jìn)行探傷檢查，以確認(rèn)其內(nèi)壁表面開(kāi)裂泄漏位置，圖3為開(kāi)裂封頭內(nèi)、外壁表面以及封頭內(nèi)壁筋板根部?jī)蓚?cè)角焊縫區(qū)域滲透探傷照片，封頭外壁表面未見(jiàn)滲透探傷顯影缺陷，封頭內(nèi)壁筋板根部?jī)蓚?cè)角焊縫中A焊縫在焊縫與筋板的焊趾處存在兩處較明顯的滲透探傷顯影缺陷，且其中一處顯影缺陷（1#顯影缺陷）恰位于補(bǔ)焊位置，B焊縫顯影缺陷不明顯。

 

 

 

 

2.2 化學(xué)成分檢測(cè)    

 

      對(duì)封頭、筋板和角焊縫基體取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢查，結(jié)果見(jiàn)表1，封頭和筋板基體化學(xué)成分均符合GB/T 24511—2017中S30403技術(shù)規(guī)范，角焊縫基體化學(xué)成分符合角焊縫焊絲熔敷金屬技術(shù)規(guī)范。

 

 

2.3 力學(xué)性能檢測(cè)    

 

      對(duì)封頭基體取樣進(jìn)行常溫力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2，其強(qiáng)度明顯高于、斷后伸長(zhǎng)率則低于GB/T 24511—2017中經(jīng)固溶處理的S30403技術(shù)規(guī)范，這應(yīng)與其成型加工過(guò)程中的冷作硬化作用有關(guān)。

 

 

2.4 封頭基體耐腐蝕性試驗(yàn)

 

     參照GB/T 4334—2020中E法對(duì)送檢封頭基體進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣表面均無(wú)晶間腐蝕裂紋，如圖4所示。

 

 

2.5 金相檢查

 

2.5.1 封頭和筋板常規(guī)金相檢查    

 

      切取封頭和筋板基體試樣進(jìn)行金相檢查，根據(jù)GB/T 10561—2022評(píng)定封頭基體非金屬夾雜物級(jí)別為：BT1.0，DT1.0，筋板基體非金屬夾雜物級(jí)別為：CT1.5，DT1.0。圖5為封頭和筋板基體金相組織照片，其組織均為奧氏體+5%條狀鐵素體，晶粒度為7級(jí)。

 

 

2.5.2 封頭1#顯影缺陷截面金相檢查 

 

      切取1#顯影缺陷截面試樣進(jìn)行金相檢查，圖6為封頭1#顯影缺陷截面宏觀形貌，1#顯影缺陷為A焊縫焊趾與筋板完全分離形成的縫隙缺陷，縫隙缺陷內(nèi)存在較多填充物，筋板與封頭之間還存在較大搭接間隙，縫隙缺陷與搭接間隙相連通，1#顯影缺陷附近筋板表面、焊縫根部以及搭接間隙內(nèi)封頭表面還存在多條曲折分叉裂紋，裂紋均集中于焊縫附近，搭接間隙內(nèi)封頭表面的其中一條較粗大裂紋延伸至補(bǔ)焊焊縫，較粗大裂紋應(yīng)是貫穿至外壁的泄漏裂紋。由此推測(cè)，1#顯影缺陷處A焊縫焊趾與筋板之間的縫隙缺陷和筋板與封頭之間的搭接間隙內(nèi)封頭表面的較粗大裂紋相連通導(dǎo)致封頭發(fā)生泄漏。

 

       圖7為封頭1#顯影缺陷縫隙內(nèi)填充物能譜檢查結(jié)果，其主要由O、Si元素組成，腐蝕性介質(zhì)元素Cl含量也較高，這與其工作介質(zhì)中元素組成相符。圖8為封頭1#顯影缺陷截面金相組織，1#顯影縫隙缺陷開(kāi)口較大，缺陷處筋板表面幾乎與筋板母材表面平行，且其表面組織為奧氏體，與母材組織基本一致，焊縫側(cè)表面組織為奧氏體+條狀和枝晶狀鐵素體，為典型的奧氏體不銹鋼焊縫組織，焊縫側(cè)表面還存在較多絮狀小裂紋，這與其工作介質(zhì)中存在腐蝕性介質(zhì)元素Cl有關(guān)，1#顯影縫隙缺陷具有焊接未熔合缺陷特征。

 

 

 

     圖9為1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙內(nèi)封頭表面較粗大裂紋金相組織，較粗大裂紋兩側(cè)存在或沿晶或穿晶的分叉裂紋。圖10為1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙內(nèi)封頭表面較粗大裂紋內(nèi)填充物能譜檢查結(jié)果，填充物中O、F、S、Cl腐蝕性介質(zhì)元素含量較高，較粗大裂紋符合應(yīng)力腐蝕裂紋特征。圖11為1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙內(nèi)封頭表面裂紋金相組織，封頭與筋板搭接間隙內(nèi)封頭表面還存在多條起源于內(nèi)壁表面的或沿晶或穿晶的分叉裂紋，均符合應(yīng)力腐蝕裂紋特征。

 

 

 

 

3、結(jié)果與討論

 

      經(jīng)宏觀形貌檢查，封頭內(nèi)壁中間筋板根部與封頭內(nèi)壁通過(guò)兩側(cè)的角焊縫連接，封頭內(nèi)壁存在大量紅褐色銹蝕產(chǎn)物，封頭外壁泄露處補(bǔ)焊焊縫恰位于筋板根部與封頭的角焊縫處。經(jīng)探傷檢查，封頭外壁表面未見(jiàn)滲透探傷顯影缺陷，封頭內(nèi)壁筋板根部?jī)蓚?cè)角焊縫中A焊縫在焊縫與筋板的焊趾處（補(bǔ)焊位置）存在較明顯的滲透探傷顯影缺陷，將其標(biāo)識(shí)為1#顯影缺陷。

 

     經(jīng)化學(xué)成分檢測(cè)，封頭和筋板基體化學(xué)成分均符合GB/T 24511—2017中S30403技術(shù)規(guī)范，角焊縫基體化學(xué)成分符合焊絲熔敷金屬技術(shù)規(guī)范。

 

     經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)，送檢封頭基體強(qiáng)度明顯高于、斷后伸長(zhǎng)率則低于GB/T 24511—2017中經(jīng)固溶處理的S30403技術(shù)規(guī)范，這應(yīng)與其成型加工過(guò)程中的冷作硬化作用有關(guān)。

 

     經(jīng)耐腐蝕性試驗(yàn)，送檢封頭基體參照GB/T 4334—2020中E法進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣表面均無(wú)晶間腐蝕裂紋。

 

     經(jīng)金相檢查，封頭和筋板心部組織均為奧氏體+5%條狀鐵素體，晶粒度為7級(jí)，組織無(wú)明顯異常。根據(jù)GB/T 10561—2022評(píng)定封頭基體非金屬夾雜物級(jí)別為：BT1.0，DT1.0，筋板基體非金屬夾雜物級(jí)別為：CT1.5，DT1.0，級(jí)別均較低，說(shuō)明其材質(zhì)純凈度均較好。

 

     經(jīng)金相檢查，封頭1#顯影缺陷為A焊縫焊趾與筋板之間的縫隙缺陷，缺陷內(nèi)存在主要由O、Si元素組成的填充物，腐蝕性介質(zhì)元素Cl-含量也較高，這與其工作介質(zhì)中元素組成相符，縫隙缺陷開(kāi)口較大，缺陷處筋板表面幾乎與筋板母材表面平行，且其表面組織為奧氏體，與母材組織基本一致，焊縫側(cè)表面組織為奧氏體+條狀和枝晶狀鐵素體，為典型的奧氏體不銹鋼焊縫組織，焊縫側(cè)表面則存在較多絮狀應(yīng)力腐蝕小裂紋，1#顯影縫隙缺陷具有焊接未熔合缺陷特征，焊縫側(cè)缺陷表面存在應(yīng)力腐蝕裂紋。而1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙較大，間隙內(nèi)封頭表面存在多條起源于內(nèi)壁表面的或沿晶、或穿晶的分叉應(yīng)力腐蝕裂紋，其中一條較粗大的應(yīng)力腐蝕裂紋延伸至補(bǔ)焊焊縫，裂紋均集中于焊縫附近，由此推測(cè)，1#顯影焊接未熔合缺陷和筋板與封頭之間的搭接間隙內(nèi)封頭表面的較粗大應(yīng)力腐蝕裂紋相連通導(dǎo)致封頭發(fā)生泄漏。

 

4、結(jié)論與建議 

 

     封頭開(kāi)裂泄漏為Cl-的工作介質(zhì)在筋板焊縫內(nèi)形成持續(xù)侵蝕，在服役壓力、焊接殘余應(yīng)力和加工應(yīng)力的共同作用下，導(dǎo)致焊接薄弱處和較封閉處的封頭表面應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

 

      封頭內(nèi)工作介質(zhì)中存在HCl等富Cl-的化合物，不銹鋼在含量稍高的氯離子環(huán)境中即會(huì)被腐蝕，易產(chǎn)生點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕等。

 

     在條件允許的情況下，建議降低工作介質(zhì)中氯離子的含量，以提高封頭的使用壽命。此外，也可采用耐氯離子腐蝕能力強(qiáng)于S30403的S31603、S22053等材料，提高封頭正常情況下的使用壽命。