4.5 腐蝕疲勞

★ 4.5.6 壓力容器腐蝕疲勞失效案例 ★

案例一

氫化反應(yīng)器換熱板及連接件腐蝕疲勞斷裂

某氫化反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力：管程0.6MPa、殼程2.89MPa，操作壓力：管程0.6MPa、殼程靜壓，設(shè)計(jì)溫度：管程25℃、殼程150℃；操作溫度：管程23℃、殼程70℃；介質(zhì)成分：管程循環(huán)水、殼程生活消防水。換熱板材質(zhì)為022Cr17Ni12Mo2、連接件管06Cr18Ni11Ti，使用72h時(shí)發(fā)生換熱板連接件進(jìn)水分管和總管角焊縫疲勞開裂，換熱板發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

失效樣品宏觀形貌見圖4-240。

01 檢驗(yàn)分析

①宏觀檢查。

換熱板連接件沿進(jìn)水分管和總管角焊縫的分水管一側(cè)斷裂，圖4-241，連接件無明顯變形，斷面無金屬光澤，壁厚無減薄。

圖4-240  失效樣品宏觀形貌

圖4-241  連接件斷裂部位

②硬度檢查。

按GB/T 4340.1 金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法對(duì)角焊縫各部位進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果見表4-71，檢查結(jié)果表明焊縫硬度偏高。

表4-71 角焊縫各部位進(jìn)行硬度測(cè)試結(jié)果

③金相檢驗(yàn)。

管子均為奧氏體+帶狀α鐵素體+晶界點(diǎn)狀析出，圖4-242，角焊縫為奧氏體+鐵素體。連接管件焊接接頭，圖4-243。總管開坡口，深度不足總管壁厚1/2，小管插入外部焊接，內(nèi)壁為未焊透結(jié)構(gòu)，圖4-244。連接管件金相組織中存在帶狀鐵素體、晶界析出物和形變馬氏體，說明材料固溶處理不好。晶界析出物和形變馬氏體影響材料的耐腐蝕性能。連接件小管內(nèi)壁存在腐蝕特征，圖4-245。

圖4-242  管子母材帶狀組織

圖4-243  角焊縫熔合區(qū)

圖4-244  連接管件焊接接頭

圖4-245  小管內(nèi)壁表面

④斷口分析。

連接件沿進(jìn)水管與總管角焊縫的進(jìn)水管一側(cè)斷裂，斷面無塑性變形，壁厚無減薄、無明顯的腐蝕特征，斷面無金屬光澤；裂紋多源期裂，起始于內(nèi)外壁表面，擴(kuò)展初期斷面較平齊，隨裂紋的擴(kuò)展斷面起伏大，并出現(xiàn)多個(gè)臺(tái)階，圖4-246，呈脆性特征。

圖4-246   斷裂面宏形貌

微觀形貌，分別取連接件小管裂紋源區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和裂紋擴(kuò)展后期進(jìn)行觀察，裂紋源區(qū)和擴(kuò)展初期，特征呈條紋和解理，裂紋擴(kuò)展后期為平行微裂紋+解理，圖4-247。擴(kuò)展區(qū)有二次裂紋，表明同時(shí)存在應(yīng)力腐蝕開裂特征，圖4-247c、d。

圖4-247  接管斷口微觀形貌

⑤綜合分析

連接管件焊接接頭總管坡口深度不足總管壁厚1/2，小管插入外部焊接，內(nèi)壁為未焊透結(jié)構(gòu)。斷口分析結(jié)果表明連接件為疲勞斷裂，裂紋擴(kuò)展后期同時(shí)具有應(yīng)力腐蝕開裂特征。斷裂部位是該焊接接頭薄弱點(diǎn)，其承載能力不足，并且存在結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中和缺口效應(yīng)，在交變應(yīng)力作用下導(dǎo)致接管焊縫發(fā)生疲勞斷裂。

設(shè)備結(jié)構(gòu)分析表明，共振是導(dǎo)致疲勞的主要力學(xué)因素。焊縫硬度偏高，表明焊接工藝失控，對(duì)疲勞敏感性增加。接管材料固溶處理不好，晶界析出物和形變馬氏體影響材料的耐腐蝕性能。換熱板在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生開裂，說明水質(zhì)中的Cl-含量較高，且運(yùn)行中應(yīng)在80℃以上停留了較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕起到促進(jìn)作用。