4.5 腐蝕疲勞

★ 4.5.6 壓力容器腐蝕疲勞失效案例 ★

案例一

氫化反應器換熱板及連接件腐蝕疲勞斷裂

某氫化反應器設計壓力：管程0.6MPa、殼程2.89MPa，操作壓力：管程0.6MPa、殼程靜壓，設計溫度：管程25℃、殼程150℃；操作溫度：管程23℃、殼程70℃；介質成分：管程循環水、殼程生活消防水。換熱板材質為022Cr17Ni12Mo2、連接件管06Cr18Ni11Ti，使用72h時發生換熱板連接件進水分管和總管角焊縫疲勞開裂，換熱板發生應力腐蝕開裂。

失效樣品宏觀形貌見圖4-240。

01 檢驗分析

①宏觀檢查。

換熱板連接件沿進水分管和總管角焊縫的分水管一側斷裂，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 第1部分：試驗方法對角焊縫各部位進行硬度測試，結果見表4-71，檢查結果表明焊縫硬度偏高。

表4-71 角焊縫各部位進行硬度測試結果

③金相檢驗。

管子均為奧氏體+帶狀α鐵素體+晶界點狀析出，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，內壁為未焊透結構，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

圖4-244  連接管件焊接接頭

圖4-245  小管內壁表面

④斷口分析。

連接件沿進水管與總管角焊縫的進水管一側斷裂，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，起始于內外壁表面，擴展初期斷面較平齊，隨裂紋的擴展斷面起伏大，并出現多個臺階，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，裂紋擴展區和裂紋擴展后期進行觀察，裂紋源區和擴展初期，特征呈條紋和解理，裂紋擴展后期為平行微裂紋+解理，圖4-247。擴展區有二次裂紋，表明同時存在應力腐蝕開裂特征，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，內壁為未焊透結構。斷口分析結果表明連接件為疲勞斷裂，裂紋擴展后期同時具有應力腐蝕開裂特征。斷裂部位是該焊接接頭薄弱點，其承載能力不足，并且存在結構性應力集中和缺口效應，在交變應力作用下導致接管焊縫發生疲勞斷裂。

設備結構分析表明，共振是導致疲勞的主要力學因素。焊縫硬度偏高，表明焊接工藝失控，對疲勞敏感性增加。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。換熱板在短時間內發生開裂，說明水質中的Cl-含量較高，且運行中應在80℃以上停留了較長時間，對腐蝕疲勞和應力腐蝕起到促進作用。