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上海交：i t t ：g 学材料科学与工程博士后出站报告 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 摘要 本课题属于对s u s 3 0 4 不锈钢焊缝开裂的失效分析。具体研究对象是宝钢能源部 制氧分厂1 # 制氧压缩机组1 4 级中间冷却器封头之封头一简体环焊缝热影响区出现的 横向裂纹；研究内容主要涉及确定开裂类型、分析开裂原因，以及提出防范措施建议。 本课题对于现场设备的安全稳定运行具有指导意义，工程应用价值较高。 通过多项无损检测( 包括外观检查、硬度检查、射线探伤和渗透探伤等) ，材质 的常规检验( 包括对封头焊缝、母材及热影响区的拉伸性能测试和化学成份检测) ， 受损材料的微观组织观察( 包括对封头焊缝、母材、热影响区及开裂区的金相及扫描 电镜观察) ，本次课题从应力、介质环境和材质三个角度仔细考察了焊缝开裂的性质 和可能原因，并使用慢应变速率拉伸试验对封头材料的应力腐蚀敏感性进行了测试， 最终得到以下结论： 1 )1 样制氧压缩机组各级冷却器的失效系由3 0 4 不锈钢封头- 简体对接环焊缝热 影响区的氯离子应力腐蚀开裂造成。 2 )促成该对接环焊缝的应力腐蚀开裂的腐蚀介质是既含氧又含氯化物的高温 水，1 级冷却器冷却管的开裂泄漏是造成这一腐蚀介质环境的直接原因，正 是泄漏使得含氯离子的冷却水进入原本应该走干燥氧气的管程，使各级冷却 器封头内壁与湿润氯离子有了接触，并进而在氧气催化作用下发生腐蚀反 应。 3 )封头环焊缝热影响区的晶界碳化物析出及其在腐蚀介质作用下的优先溶解 使应力腐蚀开裂行为得以发生并迅速进行。 4 )封头环焊缝处( 尤其是封头一侧) 存在的残余拉应力是促成该环焊缝应力腐 蚀开裂的应力条件。 5 )保持冷却水的低氯离子水平；注意冷却水的加药问题，防止( 铜制) 冷却管 受药物作用而发生腐蚀穿孔或开裂；以及注意检查冷却管是否泄漏以防湿润 氯离子在3 0 4 材料表面上的停留是防止同类冷却器封头应力腐蚀开裂的保 障。 关键词：应力腐蚀开裂，奥氏体不锈钢，封头，冷却器，氧气压缩机 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 r e s e a r c ho n c r a c k i n g m e c h a n i s mo ft h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s s s t e e lh e a d so ft h ec o o l e r si na n o x y g e nc o m p r e s s o rs y s t e m a b s t r a c t t i l i sp a p e rp r e s e n t saf a i l u r ea n a l y s i sf o rc r a c k i n go fs o i e ec i r c u m f e r e m i a lb u t tw e l d s i nt h e3 0 4t y p ea n s t e m t i cs t a i n l e s ss t e e lh e a d so ff o u rc o o l e r sl o c a r e di n8 1 1 o x y g e n c o m p r e s s o rs y s t e m , w h i c hi sm e a n i n g f u lf o re n e r g yd e p a r t m e n to fb a o s h a ni r o n & s t e e l c o m p a n y t og u a r a n t e et h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f c o m p o n e n t si nt h ee n e r g yp l a n t s 啊】ea i mo ft h i sf a i l u r ea n a l y s i si st oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f 也ec r a c k i n gf o rt h e p u r p o s e t og i v es o 强s u g g e s t i o n st op r e v e mt h i sk i n do f c r a c k i n g s e v e r a ln d t ( n o n d e s t r u c t i v et e s t i s ) i t e m st u c l u d i a g 如h a r d n e s st e s t i d g ，t h e r a d i o a c t i v et e s t i n ga n dt h ep e n e t r a t i v et 船t i n s ，t h et e s t i n go fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n sa n d t e n s i l ep r o p e r t i e so fb a s em e t a l , w e l da n dh a zo ft h eh e a d s n t a l l o g r a p h i ce x a m i u a t i o n f o rb a s em e t a l w e l d , h a za n dc r a c k i n gz o n eo ft b eh p a d sa n ds e mo b s e r v a t i o no f f r a c t o g z a p h y 黜a c c o m p l i s h e d i nt h i sr e s e a r c ht o i n v e s t j g a t e t h e p o s s i b l e c a u s e s r e s p o n s i b l e f o rt h e c r a c k m g m e a n w h i l e 。恤e f f e c t s o fm a t e r i a l ，e n v i r o n m e n ta n d m e c h a n i c so nt h es t l e s sc o r r o s i o na r ec o n s i d e r e d a n das e to fs l o ws t r a i nr a t et e s t si s c o n d u c t e dt ot e s t i f yt h es e n s i t i v i t yo ft h eh e a d sm a t e r i a lt os t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g t h r o u g h t h e s ee x a m i n a t i o n sa n da n a l y s e st h ec o n c l u s i o n s 骶o b t a i n e da sf o l l o w i n g ： i 1a i ia n a l y s e sa b o u tm a t e r i a lf a c t o r , e n v i r o n m e n t a lf a c t o ra n dm e c h a n i c a lf a c t o r i n d i c a t et h a tt h ef a i l u r eo ft h ec o o l e r s h e a d sj st h es t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n g ( s c c ) o f3 0 4 a u s t e i a i t i cs t a i n l e s ss t e e lc 面贼b yc h l o r i d e 。 2 ) c ：o r r o s i v e m e d i a l e j 蛐t o t h es c ci st h e c o m p o u n dc o n s i s t i n g o f h l g h - t e m p e r a t u r ew a t e r a n dv a p o rc o n t a i n e db o t h o x y g e n a n dc h l o r i d e i ti st h el e a k a g eo f t h ec o o l i n gm b e si nt h ef i r s t s t a g ec o o l e rt h a td i r e o t l yc o n d l 】c e st h ec o n t a c xo ft h ei n n e r w a l lo ft h eh 瞄i d sw i t ht h ec o o l i n gw a t e rc o n t a n e 圮lc h l o r i d e , a n dt h e ni sr e s p o n s f b l et ot h e f o r m a t i o no ft h ec o r r o s i v ee n v i r o n m 吼t 3 ) s e p a r a t i o no fc a r b i d e so u to ft h eg r i nb o u n d a r yi nh a z a n dt h e i rp r e f e r e n t i a l d i s s o l u t i o np r o m o t ea n da c c e l e r a t et b es c co f t l 卫h e a d s 4 、r e s i d u a ls t r e s se x i s t e dn e _ , a rt h eb u t tw e l do ft h eh e a di st h es t r e s st h a tf a c i l i t a t e s t h es c c 5 ) m a i n t a i n i n gt h el o w - c h l o r i d el e v e l , a a df r e q u e n t l yc t 日她t h e s t a t b so ft h e c o o l i n g t u b e sa n dt h eh e a d st oa v o i d t 出o c c 咖c eo f t h e l e a k a g e o f t h e c o o l i n gw a t e x a n d t h e n t og u a r a n t e e t h e d r y n 黜sa n d c l e a n n e s s o f t h e h e a d w i l l b e b c 脚1 t o p c c v e n t t h e h e a d s f r o m t h i s k i n d o f s c c f a l a m _ e k e y w o r d s ：s t r e s s c o r r o s i o n c r a c k i n g ，a t t s t e n i t i es t a i n l e s ss t e e l , k 黾d ，c o o l e r , o x y g e ng o l n p t e s s o r 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 在站工作简要介绍 作者杨镇，2 0 0 1 年在华东理工大学机械工程学院取得工学博士学位后，进入上 海交通大学与宝山钢铁股份有限公司( 以下简称宝钢) 联合培养的企业博士后工作站 工作，研究所属学科为材料科学与工程，课题来源及经费由宝钢负责，具体工作单位 为宝钢能源部。 在站期间( 2 0 0 1 年9 月至2 0 0 3 年8 月) ，作者主要完成了以下研究工作。 一、作为负责人独立承担了题目为“能源部制氧压缩机中间冷却器封头裂纹成因 分析”的课题，本出站报告“制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究”即 依据此课题编写。此课题来源于工程实际，对于指导企业现场设备的安全稳定运行具 有现实意义和工程应用价值。研究内容主要涉及确定失效类型、分析失效原因，以及 提出防范措施建议等。课题从2 0 0 2 年3 月准备立项到2 0 0 3 年6 月定稿，跨度一年稍 逾，主要完成的工作包括( 其中部分具体的测试工作委托相关有资质单位完成) ： 1 )失效封头的材料、结构、服役条件等情况调研 2 )失效封头的检验检测 a ) 外观检测b ) 无损检测c ) 硬度测试 3 )失效封头材料( 母材、焊缝及热影响区) 的取样试验分析 a ) 化学分析b ) 拉伸性能测试c ) 残余应力测试d ) 金相分析 e ) 断口分析( 扫描电镜) 4 )失效原因综合分析( 主要原因及影响因素) 5 )失效原因验证试验( 慢拉伸应力腐蚀试验) 及结果分析 6 )预防措施及改进建议 通过分析论证，最终将失效确定为不锈钢应力腐蚀开裂导致失效的原因包括因 冷却水泄漏而导致的氯离子+ 氧气腐蚀环境、封头环焊缝热影响区的晶界碳化物析出 以及热影响区所处位置处的残余应力场。此项课厦为封头开裂找到了原因，便于对症 下药，防范此类失效事故于未然，延长设备的使用寿命，保障企业现场设备运行的安 全与稳定。 二、参与了题目为“宝钢1 5 m n v n r 钢制球罐安全状况与寿命评估研究”的课题， 具体承担其中调研和球罐风险评估两方面的工作。此项课题从2 0 0 1 年1 0 月开始申请， 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 2 0 0 2 年9 月正式批准立项，预计于2 0 0 4 年1 2 月结题。目前工作己进行近半，主要 完成了以下工作： 1 )关于宝钢及其它企业1 5 m n v n r 钢制球罐设计、施工、运行及检验检测方面 的调研工作( 2 0 0 2 年9 月l o 月) 。 2 )风险评估技术及其在工程中的应用等方面的资料查阅( 2 0 0 1 年1 0 月- 2 0 0 2 年2 月) ，完成综述文章“风险评价技术及其应用于宝钢能源部球罐安全评 定的设想”，该文获得宝钢2 0 0 2 年度优秀青知论文和五小成果评选的论文 奖。 3 )确定裂纹长度、断裂韧性及压力等随机变量的分布类型的计算程序编制工作 ( 2 0 0 2 年4 月一7 月) 。 压力容器的安全可靠生产直接关系到企业的长周期安全运行，而宝钢一期 1 5 m n v n r 钢制球罐由于历史原因在制造质量上存在缺陷严重等问题，因此对这些球 罐的安全状况进行评价以及对其寿命进行预测具有十分重要的意义。另一方面，国内 其它企业在用球罐有不少与此批球罐同期制造，存在同样问题，但在整个国内范围内 尚未系统开展对1 5 m n v n r 钢制球罐的研究，因此本课题不仅具有代表意义，而且处 于研究前沿。风险评估本身是一种较为科学的、正在兴起的新型评估方法，尝试将风 险评估方法应用于实际的设备元件安全评估具有理论和工程两方面的意义。 三、2 0 0 1 年2 月一6 月正式进站之前参与了题目为“宝钢煤气水封装置改造”的 课题，主要负责水封装置击穿临界状态参量的计算和初步结构设计。该项课题结题后 申请到专利两项，且两项专利作为技术贸易已被某厂家购买，为宝钢创造了相当的经 济效益。 四、2 0 0 1 年1 0 月2 0 0 2 年4 月参与题目为“l d g 煤气管道在线修复技术”的课 题研究。宝钢煤气管线运行多年已经呈片状的密集点腐蚀泄漏，由于无法做停气更换 处理，只能对其采取“托补”措施。此课题意欲以“胶”代“焊”，采用粘接技术实 现煤气管道泄漏后的紧急修复和泄漏前的防漏在线修复，对于确保安全生产、节约修 复用钢材、为企业创造经济效益有着明显的优点。课题至2 0 0 2 年4 月已经完成了调 研、可行性分析、胶粘剂品种选择等项工作，但后因种种原因暂时搁浅。 五、2 0 0 2 年6 月。7 月完成了一起2 2 0 k v 线路a 相主保护动作跳闸事故原因的分 析。研究历时近一个月，对象是2 0 0 2 年6 月在宝钢厂区内发生的一次路面爆炸事故 2 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 分析涉及线路闪络与事发地点路面形成一较大炸坑两者之间的关联以及路面爆炸的 可能原因，为公安局对于事故的分析定论提供了理论依据。 六、2 0 0 2 年7 月一8 月参与了宝钢能源部制氧分厂空压机异常停机处理工作。主 要完成了整个压缩机系统的轴向力( 包括压缩机叶轮轴向气体力、齿轮箱啮合轴向力、 油膜轴向力等) 平衡计算，停机原因分析和压缩机墙板膨胀量估算等工作。 七、2 0 0 2 年1 0 月参加由法国国际检验局中国办事处承办的r b i 风险检验研讨会。 八、2 0 0 2 年1 1 月参加由中国压力容器学会管道委员会主办的第二届全国管道技 术学术交流会议。 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 第一章概论 1 i 课题来源 本次课题的研究对象是宝山钢铁股份有限公司能源部制氧分厂l 群氧压机机组中 的冷却器( c o o l e r ) 。氧压机是制氧工艺中的关键设备，其中包含若干级中间及后冷却 器。冷却器是常用换热设备中的一种，其用途是通过高温流体向低温流体的热量传递 方式来实现冷却目标介质和节约能源的目的。在各级冷却器中冷流体( 通常为工业用 水) 冷却压缩氧气，提高压缩机的压缩效率。 能源部制氧分厂1 群氧压机机组由日本制造，其中后冷却器和1 4 级中间冷却器 于1 9 8 1 年6 月制造，1 9 8 5 年9 月投产。各级冷却器均为固定管板式换热器，尺寸( 内 径) 4 5 0 6 5 0 r n m 不等，管程介质为氧气，设计压力o 3 3 3 m p a 不等，设计温度1 8 0 ，材料s u s 3 0 4 ；壳程介质为水，设计压力0 4 m p a ，设计温度8 0 j 材料s s 4 1 。 具体设计参数如表1 1 所示，结构( 以l 级冷却器为例) 如图1 1 所示。 表1 i1 # - 翻j 氧压缩机组1 q 级冷却器设计参数列表 参数l 级2 级3 级4 级 内径( 衄) 6 5 05 5 05 0 0 4 5 0 壁厚 封头( 管程)666 9 管程 6669 ( m m )简体 壳程 9999 封头( 管程) s u s 3 0 4 s u s 3 0 4 s u s 3 0 4 s u s 3 0 4 材料管程 s u s 3 0 4s u s 3 0 4s u s 3 0 4s u s 3 0 4 简体 壳程 s s 4 1 s s 4 l s s 4 1s s # l 设计温度 管程1 8 01 8 01 8 0 1 8 0 ( ) 壳程 8 08 08 08 0 设计压力管程 o 30 61 12 o ( 口a ) 壳程 o 4o 40 40 4 操作温度管程 i 3 1 1 3 6 1 2 41 1 7 ( ) 壳程 3 33 33 33 3 操作压力管程 0 1 80 4 7o 9 3 1 6 5 ( 口a )壳程0 2 5o 2 50 2 50 2 5 管程氧气氧气氧气氧气 介质 壳程水水水 水 4 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 图1 1 l 制氧压缩机组1 级冷却器设计图纸 各级冷却器均于1 9 9 0 年、1 9 9 3 年和2 0 0 0 年作过三次全面检验。在2 0 0 0 年对冷 却器管箱封头筒体对接环焊缝内外表面进行的渗透探伤检验中，除后冷却器外，其 余i 4 级中间冷却器的封头简体环焊缝上均被检出横向裂纹和气孔等缺陷。经上海 宝钢压力容器检验站鉴定认为这些缺陷难于修复，最终对l 4 级中间冷却器的8 个 管箱封头实施了更换，更换下来的实物照片见图1 2 ( 以3 级冷却器为例) 。此处管箱 封头指椭圆封头与一段筒体的结合体，其上还带有弯头和弯头短节，作为本次课题主 要研究对象的焊缝正是椭圆封头与小段简体的对接环焊缝。需要指出的是。习惯上我 们将这个椭圆封头与简体的结合体简称为“封头”，如本文题目中所提，但在下文( 尤 其是第三章) 中论及环焊缝两侧的材料时需要区分“封头侧”和“简体侧”两个部分， 所以“封头”这个词在文章中可能有两种含义，一种统指椭圆封头与筒体的结合体， 另一种专指椭圆封头本身，请读者注意区分。 图1 21 撑制氧压缩机组3 级冷却器管箱封头实物照片 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成困及机理研究 这些冷却器自投产至管箱封头更换运行了约1 5 年时间，其中有近一半时间处于 备用状态，实际使用时间不足1 0 年，远低于通常的设计寿命( 约为2 0 年) ，此时在 一系列管箱封头环焊缝上出现众多裂纹应该说是一种不正常的现象，值得深入讨论和 研究。制氧分厂尚有若干同批制造的制氧压缩机组，可以设想，这些机组中的中间冷 却器也有可能存在或将要存在同样的问题。如果我们能够利用更换下来的封头找到焊 缝裂纹的形成原因并进而找出适用于其它类似冷却器的防止裂纹产生或扩展以延长 设备服役寿命的方法，无疑将可咀创造可观的经济效益。由此可见，本文的选题符合 降本增效原则，有利于安全稳定的生产运行，是一个重要而且必要的科研课题。 1 2 国内外有关的技术信息及背景知识介绍 1 2 1 国内外有关的技术信息 查阅工程索引e i 以及中文期刊全文库等信息库中与3 0 4 不锈钢制压力容器( 特 别是压缩机组冷却器) 开裂失效有关的国内外文摘和文献l l - l4 1 ，得到如下信息：一， 冷却器开裂失效多发生在管子或管子与管板的连接处，象本次课题这样在封头与简体 的环焊缝上出现裂纹的现象报道很少，仅见于文献【7 】。二，封头处出现的裂纹可能 是焊接延迟裂纹。三，3 0 4 不锈钢制元件出现裂纹的原因多为应力腐蚀开裂，即不锈 钢在高应力( 可能是残余应力) 以及腐蚀环境( 可能为氯化物、氢氧化物和硫化氢等 腐蚀介质环境) 作用下产生裂纹起裂及扩展现象。比如文献【7 】中的不锈钢封头就属 于应力腐蚀开裂，开裂的介质因素是工艺介质中混入的氯离子，应力因素是封头成型 过程中发生的应力残余现象以及封头与筒体对接产生的焊接残余应力。 本次课题所面对的问题很可能就是应力腐蚀开裂问题，为此，有必要先对3 0 4 不锈钢应力腐蚀的相关知识进行考察，详见下- d , 节内容。 1 2 2 关于3 0 4 不锈钢应力腐蚀的背景知识 1 2 2 l3 0 4 不锈钢产生应力腐蚀断裂的基本条件 应力腐蚀开裂( s c c ) 的产生需要具备三个基本条件【”】：材料条件，即合金材料 对特定的介质敏感：环境条件，即合金材料处于敏感的腐蚀介质中1 1 删；以及力学条 件，即合金材料受到定量的静拉伸应力作用 2 5 - 2 7 1 。 本次研究所针对的封头其材料为日本生产的s u s 3 0 4 钢，属于1 8 - 8 型的c r - n i 奥氏体不锈钢。对该类钢材而言，能引起应力腐蚀的腐蚀介质有很多，常见的有氯化 物【1 4 ，1 矗2 0 1 、氢氧化物 2 1 1 、连多硫酸 2 2 。2 3 1 以及混有杂质的高温水口4 】等。这些介质的浓 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 度、温度以及p h 值等都会对应力腐蚀的引发产生作用。尤其值得特别指出的是含 c 1 的水对不锈钢的腐蚀作用：在一定范围内，通常水中氯离子浓度越高，产生应力 腐蚀的可能性越大；但许多工程案例证明少至几个p p m 的c 1 。也可能引发不锈钢的应 力腐蚀开裂，因为可能有c r 局部富集或浓缩的环境条件形成。另外，当接触的介质 为既含氧又含氯化物的热水或高温水时，即使氧浓度和氯离子浓度都很低，1 8 8 型不 锈钢也有可能产生应力腐蚀开裂【l ”。 引发应力腐蚀开裂的应力大致可分为4 种，包括工作应力、残余应力、热应力和 结构应力，其中由残余应力引起的不锈钢应力腐蚀事故约占总应力腐蚀事故的8 0 ， 是分析中最值得注意的一种应力1 2 ，1 4 4 5 ，2 们。残余应力是不锈钢在生产过程和设备制 造加工过程中在材料内部产生的应力，可以采用x 射线衍射法、小孔法、超声波传 播速度法等进行测定。其中x 射线衍射法利用“内应力的存在会对x 射线衍射线条 产生不同影响”的原理对设备构件进行无损的残余应力检测，是一种经常使用的方法。 材料的变形加工会使之产生残余应力，比如椭圆形封头的边缘和过渡段就存在较 大的残余应力。焊接也会使构件产生残余应力。对于先经过冷加工变形后再进行焊接 的1 8 8 型不锈钢板，通常焊后最大残余应力出现在距焊缝中心1 0 m m 附近；而且焊 前冷加工变形量越大，由于冷作硬化，钢板的强度提高，其焊后残余应力越高 1 5 1 。 1 2 2 2 不锈钢设备应力腐蚀断裂的宏观特征和微观断1 2 1 形貌特征 应力腐蚀事故分析中遇到的应力腐蚀裂纹千姿百态，各式各样。常见的不锈钢应 力腐蚀宏观形貌有直线状、短线状、树枝状等等。尽管宏观外貌形式各异，但概括起 来有如下特征：没有明显的塑性变形；裂纹均发源于表面，分布具有明显的局部性： 裂纹走向受到应力方向的极大影响。 应力腐蚀裂纹的微观形貌也是各种各样的。从裂纹扩展方向与晶粒的关系来看， 裂纹的微观形貌基本有穿晶、沿晶和穿晶+ 沿晶混合型三种畸2 w 3 0 。大量不锈钢应 力腐蚀事故分析结果的统计表明应力腐蚀微观裂纹具有如下共同特征：没有明显的塑 性交形，但具有强烈的方向性；裂纹深而窄，其宽度与扩展深度不成比例；许多情况 下裂纹既有主干又有分支，貌似树干和树枝，如图1 3 所示。 将不锈钢应力腐蚀裂纹打开后，其宏观断口多数比较粗糙，也有较平坦的断口。 用放大镜观察，断口边缘平齐，无明显塑性变形。 7 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 图1 3 应力腐蚀裂纹示例【1 5 】 用光学显微镜、透射电镜或扫描电镜观察不锈钢应力腐蚀微观断口形貌，发现 c b n i 奥氏体不锈钢常见的穿晶型微观形貌有河流花样、扇形花样、羽毛状花样等准 解理类型：也有准解理与韧窝混合的类型；有时断口上还出现泥状花样，它实际上反 映的是表面腐蚀产物的不规则开裂。c r - n i 奥氏体不锈钢沿晶型断口形式则相对比较 单一，主要表现为冰糖状的晶间断口。 概括来讲，应力腐蚀断裂属于脆性断裂，断口平齐，与主应力垂直，没有明显的 塑性变形痕迹和唇口，宏观断口一般呈颗粒状。应力腐蚀裂纹常常被腐蚀产物所覆盖， 微观呈泥状花样，此花样可作为应力腐蚀的旁证。应力腐蚀的微观走向可以是沿晶的， 也可以是穿晶的，微观断口形态可以是解理( 河流花样) 或准解理，或沿晶断裂，有 时还会有韧窝或混合断口。应力腐蚀裂纹扩展过程中会发生裂纹分叉现象。所有这些 特征均可以作为判断封头裂纹是否源于应力腐蚀的证据。 1 2 2 3 应力腐蚀试验方法 通过分析设备所处介质环境、受力条件、材料金相以及对裂纹进行宏观及微观的 断口观察可以推测判断设备材料的开裂是否与应力腐蚀有关；但这样推测得出的结论 是否正确尚需要通过试验来验证。通常，只有当恰当的试验证明不锈钢开裂失效确实 属于应力腐蚀开裂，一个不锈钢断裂失效分析过程才完整。 应力腐蚀验证试验是指在实验室条件下为了重现工程事故中应力腐蚀断裂的固 有特征( 包括宏观和微观特征) 而进行的试验【1 5 】。试验时的介质条件和应力条件一般 与现场产生应力腐蚀开裂的条件( 包括浓度、温度、应力等) 相同或相当，有时也使 用较实际操作条件为苛刻的试验条件来加速试验进程。 应力腐蚀试验方法通常可分为3 类：恒载荷法，恒应变法以及慢应变速率法。其 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 中慢应变速率试验( s s r t ) 是一个评价金属和合金耐应力腐蚀性能的快速而有效的 方法，被广泛应用于研究各种材料的应力腐蚀敏感性口7 瑚 。 判断材料应力腐蚀敏感性的方法是3 1 ：按标准将需要检测的材料制成规定试样， 将其置于特定的介质环境中以及惰性介质条件下进行慢应变速率拉伸，记录它们分别 的应力应变曲线并进行比较，根据两者的差别来判断被试材料的应力腐蚀敏感性。 常用衡量敏感性的指标有抗拉强度、延伸率以及拉伸曲线覆盖的面积，两者的这些指 标的比值越大，说明材料的应力腐蚀敏感性越高。 从完全破断试样断面或未破断试样截面上测定最长裂纹长度，与破断时间相比可 以近似求得裂纹的应力腐蚀破断平均速率，这一参量可以为估计不锈钢材料应力腐蚀 裂纹开裂的速度提供参考。 1 2 3 本课题研究内容及技术路线 1 2 3 1 研究内容 本次课题主要是针对氧压机冷却器不锈钢封头的失效分析，内容主要涉及确定失 效类型、分析失效原因，以及提出防范措施建议。 要确定失效构件( 即封头) 的失效类型，首先要求了解封头的运行条件和运行时 间，并且要求详细深入地观察封头的外观、变形情况以及缺陷情况( 类型、数量、尺 寸、分布位置等) ，然后根据相关经验初步判断失效属于断裂失效，变形失效，磨损 失效，还是腐蚀失效。失效类型定性后，进一步的工作是推测和验证失效的原因，这 一部分是整个失效分析的重点，以材料分析为基础，结合构件的受力分析而展开，收 集构件材料( 包括母材和焊缝) 的基本力学性能数据，观察材料的金相组织，观察裂 纹宏观及微观形貌并解剖裂纹以进行断口分析，最后设计恰当的模拟试验再现失效构 件断口，验证分析的正确性和有效性。在找到失效的一种或多种原因后，针对这些原 因便可提出相应的预防失效的措施或改进建议。 拟进行的试验和分析归纳如下： 1 )失效封头的材料、结构、服役条件等情况调研 2 )失效封头的检验检测 a 1 外观检测 b ) 无损检测 c ) 硬度测试 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 3 )失效封头材料( 母材、焊缝及热影响区) 的取样试验分析( 包括化学、力学、 物理试验) 幻化学分析 b 1 拉伸性能测试 c )残余应力测试 d ) 金相分析 e )断e 1 分析( 扫描电镜) 4 )失效原因综合分析( 主要原因及影响因素) 5 1失效原因验证试验及结果分析 6 1预防措施及改进建议 1 2 3 2 技术路线 在l 一4 级中间冷却器替换下来的8 个封头中( 每级两个封头) ，任意选择每一级 冷却器各一个封头，对应1 4 级冷却器将它们编号为1 存、硝、3 撑和4 封头。进行以 下试验研究： 1 ) 缺陷甄别和定位：对1 撑4 撑冷却器管箱封头( 尤其是环焊缝附近) 进行全面 的无损探伤检测，确定其表面缺陷和内部缺陷的种类、位置和尺寸。表面缺陷检测使 用渗透探伤法，内部缺陷检测使用射线探伤法。尽量准确地获取有关封头缺陷的资料。 2 ) 常规性能的掌握：对特定的封头取样。确定封头材料( 包括母材、焊缝和热 影响区) 的化学成份、硬度及基本的拉伸性能，判断其值是否正常。如有异常，分析 异常原因以及可能带来的不利后果。 3 1 力学因素分析：分析封头结构特点，测试封头焊缝处残余应力。 4 1 裂纹分析：为所有检测出的封头缺陷定性，判断这些缺陷的来源( 在制造时 产生，还是在使用中产生? ) ，判断裂纹的种类( 冷裂纹、热裂纹，还是再热裂纹? ) 和性质( 属于应力腐蚀裂纹，疲劳裂纹，晶间腐蚀裂纹或者另外性质的裂纹? ) 。这 部分是工作的重点和难点，主要使用金相试验和电镜观察并辅以断口元素x 衍射等 测试手段来分析封头母材、焊缝及热影响区和裂纹的特征，为裂纹成因判断提供依据。 如果判断裂纹为应力腐蚀裂纹，则： a )使用慢应变速率应力腐蚀试验法对特定封头的焊缝进行应力腐蚀敏感性研 究，验证失效受应力腐蚀控制的推测。 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 b ) c ) m 观察拉断试样的断口，判断其是否属于应力腐蚀裂纹。 计算应力腐蚀平均破断速率，估算封头使用寿命。 分析影响应力腐蚀作用的各种因素( 包括环境、应力状态等) ，并据此提出 避免失效的方案。 总之，综合分析查阅到的文献信息和已有检验数据，认为本课题具有一定的特殊 性。下面将从材料金相及裂纹断口分析入手，考察封头材料应力腐蚀开裂的可能性， 为焊缝裂纹定性，然后有针对性地对封头的母材、焊缝及热影响区材料取样进行性能 测试，从中找出材料开裂的真正原因和裂纹扩展的规律。 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 第二章检验检测及常规试验 本章将对封头缺陷检测、硬度测量以及常规材料拉伸试验等工作的内容和结果进 行描述与讨论。 2 1 外观检查 除尺寸不同外，1 ! 4 榭头的形状和结构完全相同，参见第一章中的图1 2 。对 它们进行外观检查：任何一个封头均无异常变形，外观正常，有金属光泽，基本无锈 蚀。 2 - 2 无损检测 对1 群甜封头的封头- 筒体环焊缝内外壁进行1 0 0 无损探伤，包括射线探伤 ( r t ) 和渗透探伤( p t ) 。目的是充分了解各冷却器封头焊缝内外部的缺陷类型和缺 陷数量，重点测定裂纹的数量、位置、形状和尺寸，为缺陷定性和后续的取样工作提 供依据。 射线探伤按标准j b 4 7 3 0 9 4 进行。结果显示：除尺寸为巾4 5 0 m m 的4 拌冷却器封 头外，前三级封兴的环焊缝上均检测出大小不等且为数不少的横向裂纹，它们均匀分 布在整个焊缝环圈上，均位于封头一侧，垂直于焊缝，但与焊缝有一定距离，似起源 于热影响区。关于这些横向裂纹的详细信息见表2 1 。同时，r t 片子显示：各封头环 焊缝中还存在气孔、夹渣和未焊透等问题，其中夹渣和未焊透问题严重。 表2 1 1 # 错管箱封头的封头简体环焊缝射线探伤结果汇总 编号 横向裂纹数量( 条)裂纹最大长度估计值( m m ) l 撑 8 8 2 撑 2 5 1 2 3 群 1 36 4 撑无 渗透探伤按标准j b 4 7 3 0 - 9 4 进行。结果显示：除尺寸为4 , 4 5 0 t a r a 的错冷却器封 头外，前三级封头的环焊缝内外壁上均检测出垂直于焊缝的横向裂纹，它们基本上均 匀分布于整圈焊缝上且仅位于封头一侧，与射线探伤结果相符。以2 拌封头外壁显示 出的表面裂纹为例，见图2 1 ，它们基本呈短直线状，并与焊缝有一定距离。同时， 这三个封头的焊缝中心线上整圈有断断续续的色液显示，似与射线探出的未焊透对 应。 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 图2 1 封头外壁表面裂纹( 以2 级冷却器的2 拌封头为例) 2 3 硬度测试 对封头一简体环焊缝及其周边母材进行硬度测试。目的是掌握封头不同部位的硬 度分布情况，判断硬度值是否正常。因为硬度与材料强度之间有一定的关系，因此根 据硬度可以初步判断出封头不同部位的残余应力场的强弱情况，为应力因素的分析提 供依据。 测点编号代表位置 l 简体侧母材 2焊缝 3 封头侧h a z 近焊缝处 4 封头侧母材 近椭圆弧转折处 5 封头侧母材 近接管处 6 封头侧母材 图2 ，2 封头硬度检测点位置示意图 表2 21 撑甜封头的硬度分布( h v ) 封头侧封头侧母材 编号筒体侧母材焊缝 h a z 近焊缝处近椭圆弧转折处近接管处 l 牟1 0 91 0 42 2 62 2 01 8 41 2 7 2 撑1 0 51 1 22 5 2 2 4 4 1 6 91 3 0 3 牟1 0 01 0 22 2 7 2 3 1 1 9 5 1 3 l 4 撑1 2 01 2 13 0 33 1 42 4 81 8 1 采用h l n 1 1 c 型里氏硬度计对1 - - 4 # 四个封头进行硬度测试( 委托宝钢设备检测 公司进行) ，每个封头选取测点6 个( 测点位置见示意图2 2 ) ，分别代表简体侧母材、 焊缝、热影响区、近焊缝处封头侧母材、近椭匾_ 弧转折处封头侧母材和近接管处封头 侧母材。每个测点测读三次并取其平均读数，测量结果如表2 2 。从表中数据可看出： 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 1 ) 封头侧母材，尤其是近焊缝处的母材其硬度远高于简体侧母材的硬度。 2 ) 焊缝区的硬度值较低，与简体侧母材硬度相当；封头侧近焊缝区的硬度值与 热影响区硬度相当，都很高，比焊缝的硬度值甚至高出两倍以上。 3 ) 4 封头的各项硬度值明显高于其余三个封头相应位置的硬度值，造成这种偏 差的原因可能是硝封头比其余封头的壁厚值大。 简体侧母材焊缝一热影响区近焊缝处封头侧母材之间的硬度梯度与管箱封头在 封头侧出现裂纹这一事实相对应，表明高硬度，或者高硬度差与裂纹的出现有一定关 系。 另一方面，甜封头的硬度值最高，但其环缝上却几乎没有裂纹产生，这说明高硬 度并非诱发裂纹的原因，但在存在裂纹的情况下可能会加速裂纹的扩展。 2 4 拉伸性能测试 对管箱封头上的母材和环焊缝分别取样并进行拉伸试验。目的是掌握材料的屈服 强度、抗拉强度及延伸率等力学性能，判断这些值是否满足设计要求并推测多年服役 对材料拉伸性能的影响。 鉴于探伤结果显示甜封头的缺陷远少于1 q 捍封头且4 i 与1 撑封头壁厚不同，取 样仅针对l 抖和钟封头的母材与焊缝。取样避开开裂部位。测试按标准g b ，r 2 2 8 1 9 8 7 进行，由宝钢钢研所完成。所得结果如表2 3 所示： 表2 3l 撑( 中6 5 0 ) 和错( 巾4 5 0 ) 封头母材与焊缝的拉伸性能数据 j 试样来源屈服强度靠i ( m p a )抗拉强度( m p a )延伸率( ) 1 # 母材3 4 53 5 53 5 0 6 7 06 8 06 8 06 15 85 8 l # 焊缝 ，6 4 05 6 54 8 0| 辅母材 3 3 03 4 06 8 06 6 06 9 56 26 3“ 4 # 焊缝 ，5 7 05 9 55 8 5| 标准 2 8 9 65 7 9 25 5 注：由于焊缝情况特殊，故对其屈服强度和延伸率不作要求。 上表所示数据说明： 1 ) 尽管4 榭头与其它封头的结构和材料损伤程度有别，但它们的基本力学性能 一致。即对任意一个封头材料进行测试所得结果均具有代表性。 2 ) 焊缝比之母材，力学性能数据相对分散，但并无异常值出现。 3 ) 尽管服役给材料造成了损伤，但材料的屈服强度和抗拉强度仍然符合a i s i 3 0 4 型号标准类不锈钢的力学性能典型值。 1 4 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 2 5 残余应力测试 对封头筒体环焊缝及其附近区域进行残余应力测试。目的是确定环缝附近的残 余应力水平，考察焊接产生的残余应力对封头应力分布的影响，为分析形成裂纹的应 力因素提供依据。为防止因残余应力释放而导致测量结果不准确，所取试样在封头轴 线方向上的尺寸较长，并且取样时避开开裂部位。 使用x 射线衍射法对1 群、硝、群封头取样进行测试，测试委托宝钢钢研所完成。 由于测试机器方面的原因，加之不锈钢的残余应力测试本身有一定难度，最终只读出 其中一个封头焊缝的环向( 沿焊缝方向) 残余应力为1 2 0 m p a 。此值大约等于材料屈 服应力的4 0 。 2 6 检验检测及试验结果分析 外观检查说明不锈钢封头非变形失效或磨损失效。 无损探伤结果显示冷却器封头环焊缝附近区域的材料损伤严重：焊缝中存在大量 的气孔及夹渣甚至未焊透，封头侧热影响区存在大量裂纹。这就为我们提出了几个问 题： 1 ) 这些缺陷是制造缺陷，还是服役期间逐渐产生的缺陷? 2 ) 如果是制造缺陷，它们是否在使用中扩展? 3 ) r t 检测出的裂纹与p t 检测出的表面裂纹是否一致，即；表面裂纹的深度如 何? 是否已达到穿透的程度? 4 1 裂纹( 或者表面裂纹) 为何出现在与焊缝有一定距离的地方，此起源地是否 是焊缝的热影响区? 5 ) 裂纹( 或者表面裂纹) 为何仅出现在封头一侧? 对于第一个问题，认为气孔、夹渣和未焊透均与焊接有关，基本不可能在使用中 产生，应属于制造缺陷；而裂纹则应该是服役期间产生的缺陷，因为在1 9 9 0 年及1 9 9 3 年的两次检验中均未检测出裂纹缺陷，而直到2 0 0 0 年第三次检验时才发现它们。 对于第二和第三个问题，在经过本节所述的检验检测后尚不能回答，将留待下一 节通过理化检验予以解答。 拉伸试验，硬度检测和残余应力测试对于解答第四、五个问题有一定的帮助。拉 伸试验结果显示封头母材与焊缝材料的拉伸力学性能正常而且并未因使用而劣化，而 由硬度检测可知近焊缝区的封头侧母材和热影响区其硬度远高于筒体侧母材。这说明 制氧压缩机中间冷却器封头裂纹的成因及机理研究 裂纹的产生以及其发源的位置与材料本身的强度并无关系，但与材料经成型加工以及 焊接后的强化硬化有关。通常硬度越高，代表材料强度越高，韧性越差：另一方面， 在焊缝区这样一个很窄的区域内出现相当大的硬度变化梯度，说明该区域内的应力场 很不平衡，热影响区可能会有较大的残余应力作用。因而，也就不难理解为什么裂纹 出现在距焊缝有一定距离的位置而不是出现在焊缝中，而且仅出现在封头一侧的热影 响区，进一步的解释可参见3 4 4 节。 需要指出的是，残余应力测试本来可以为封头环焊缝周围区域的应力分析提供更 精确更具说服力的证据，但限于测试设备，这一测试结果可能并不准确，仅能起参考 作用。 综上所述，可以得到如下几点结论： 1 1 冷却器封头已经严重损伤，各级冷却器封头环焊缝处均有多条( 表面) 裂纹。 2 ) 封头母材及焊缝的拉伸力学性能正常。 3 1 简体侧母材焊缝一热影响区近焊缝处封头侧母材之间的硬度梯度较大，热影 响区与封头测母材的硬度值较高，此高硬度值与残余应力分布及裂纹的出现 有一定关系。 上海交通大学材料科学与工程博士后出站报告 第三章封头材料理化检验及分析 上一章对封头上的缺陷进行了检查定位并对封头材料的基本性能有了初步了解。 本章将从材料角度入手，对产生裂纹的部位进行详细的理化分析，以求确定裂纹的性 质，推测裂纹成因。 3 1 材料化学成份分析 对封头侧母材、筒体侧母材和环焊缝分别进行化学成份分析。目的是掌握材料具 体的成份数据以及焊缝与母材在成份上的差别，判断该成份是否符合设计要求。 4 个封头的材料完全相同，为方便起见，仅对l 撑封头取样进行化学分析。测试委 托宝