不锈钢四通焊缝热影响区开裂失效分析

骆青业，勾 通，田亚雄

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

0 引言

在石油化工、航空航天领域，奥氏体不锈钢由于具有优良的机械性能和抗腐蚀性能而得到广泛应用。通常情况下，不锈钢的耐腐蚀性是由于在金属表面形成了致密的钝化膜而具有了耐腐蚀性能。一般自然环境下表面钝化膜的完整性可以抵抗环境腐蚀，但是当钝化膜发生了破损，并且在比较恶劣的海洋大气环境下，环境中携带着氯化物悬浮颗粒吹落到金属表面，引起较为严重的局部腐蚀。目前，许多专家对奥氏体不锈钢在海洋气候下的腐蚀机理进行了深入研究，探讨了腐蚀引起的各种因素，并且得出了湿热海洋大气环境下氯离子的存在对不锈钢的腐蚀最为严重。

某发射场作为新建的大型运载火箭发射中心，大部分设备以及管路系统采用的是06Cr19Ni10奥氏体不锈钢。但是，由于某发射场距离海边较近，特殊的海洋气候下盐雾腐蚀相当严重。多次出现设备以及管路的腐蚀失效。有些失效是有征兆的，有些是突然间的破坏。因此，需要针对失效原因进行深入分析，归纳总结，并采取一定的预防措施。本文针对不锈钢管路四通热影响区出现裂纹进行了失效分析，并给出了相应措施。

1 问题描述

某发射场液氢排放管路系统设计压力为0.2MPa，公称通径DN350，管路材质为GB/T 12771-2008《流体输送用不锈钢焊接钢管》中的奥氏体不锈钢06Cr19Ni10。管路系统见图1。

图1 管路系统Fig.1 Piping system

排放管路系统使用1年后进行检修维护，听到管路四通位置存在漏气声音，发现四通位置发生了开裂现象。如图2所示，（a）为四通外观形貌，（b）为四通开裂位置放大图，椭圆区域内为裂纹。

图2 四通裂纹Fig.2 Fracture of four-way pipe

2 原因分析

考虑到管路系统的工作压力很低，DN350管路四通采用同规格管路加工拼焊而成。但是四通连接位置由于进行了主管路大开孔，使得承载能力下降，并且存在应力增大。另一方面，在低温工况下，管路系统冷缩变形造成二次应力水平过大。

管路系统使用环境室外距海边约1km，空气中盐雾浓度2～5mg/m3。当地温度条件为年平均气温24.1℃，当地湿度条件为年平均相对湿度为86%。受到盐雾环境的影响，引起薄弱的热影响区位置出现裂纹。

2.1 化学成分分析

管路材质不符合要求，某些合金元素的缺失或者含量严重不足可能会引起使用过程中开裂问题。首先对管路的基体进行化学成份分析，见表1。元素成份含量满足标准要求。

表1 化学成分Tab.1 Chemical composition

2.2 应力增大及强度削弱

四通属于管道系统中比较薄弱的管件，尤其是未加强的焊接四通。四通位置几何形状发生突变，外力作用下局部应力急剧增大。根据GB 50316《工业金属管道设计规范》附录E，通过计算未加强的焊接支管其应力增大系数平面外为13.7，平面内为10.5[1]。

管路系统主管与支管以焊接方式连接，主管开孔环形应力的承受面积减小，承载能力下降。而四通位置未进行补强，引起强度削弱。根据HG/T 20582《钢制化工容器刚度计算规定》中大开孔的补强计算，其强度削弱系数为0.57[2]。

2.3 焊接引起晶间腐蚀

奥氏体不锈钢属于多晶结构材料，内部存在晶界，晶界受到腐蚀破坏的现象为晶界腐蚀。晶界腐蚀是微电池作用引起的局部破坏，是金属材料在特定的腐蚀介质中沿材料的晶界产生的腐蚀。

通过观察焊缝热影响区相对其他位置出现了比较明显的锈蚀现象，其抗腐蚀能力下降主要由于奥氏体中Cr元素损失引起的晶间腐蚀。管路焊接过程中，由于焊接参数及焊接工艺控制不当，很容易造成热影响区的敏化，C元素与Cr元素结合。

2.4 盐雾环境引起应力腐蚀

应力腐蚀开裂指的是金属在拉应力和腐蚀介质的共同作用下引起的破裂。应力腐蚀机理比较复杂，当应力不存在时，腐蚀裂纹发展很慢，以至于在材料寿命期内不发生开裂；当应力存在并达到一定水平后，金属会在腐蚀并不严重的情况下发生破裂。奥氏体不锈钢在外部盐雾环境中Cl离子的作用下，引起应力腐蚀，造成没有任何征兆的脆性裂纹产生[3-6]。

3 补救措施

由于任务的需求，需要对管路排放系统开裂四通进行临时性补救。主要采取现场焊接修复，制定合理的焊接方案，预防管路内部多余物产生。

3.1 焊丝选择

本项目焊缝焊接选用手工氩弧焊焊接方法，焊丝选用YB/T 5092-2016《焊接用不锈钢丝》，焊丝直径Φ1.6mm，奥氏体型不锈钢焊丝，牌号H06Cr21Ni10。要求焊丝冷拉状态交货，表面光滑，不得有锈蚀、氧化皮和其他对使用有害的缺陷。

焊丝化学成分元素含量标准：Cr（19.5%～22.0%）、Ni（9.0%～11.0%）、Mn（1.0%～2.5%）、Si（0.3%～0.65%）。为了保证焊缝的焊接质量，对S和P这两种有害元素进行化学成分质量分数进行控制，要求质量分数不得大于0.03%。

本焊丝常用于18-8、18-12型奥氏体不锈钢焊接，广泛用于石油化工、压力容器、食品机械、医疗机械、化肥设备、纺织机械、核反应堆等材料的焊接，具有优良的焊接性能。

3.2 内部充气保护

管路焊接过程中，为了保证焊缝内部成型质量，避免出现氧化皮、焊渣等缺陷，必须进行内部充气保护。一般，管路焊接采用背部充Ar保护，但是对于大口径长管道，保护气体成本较高。查阅相关资料，常用焊接保护气体可以采用CO2、Ar、He、N2、Ar+N2、Ar+H2等[7]。

分析几种气体的特性，预更换为较为廉价的N2。为了证实背部充N2保护的可行性，进行了DN50规格的不锈钢短管进行焊接试验验证。采用手工钨极氩弧焊，在保证焊接电流、焊工、焊丝等焊接条件相同的条件下，分别采取两种方案：方案一，背部不进行任何气体保护；方案二，背部充入12L/min的N2。

焊接完毕，沿试件轴线方向剖开观察焊缝内表面的质量，焊缝内表面外观形貌见图3。方案一，焊缝表面存在焊渣，热影响区较宽，颜色变黑；方案二，焊缝呈现金属光亮色，未出现焊渣等缺陷。可见，将背部充Ar保护更换为N2方案可行。

图3 焊缝内表面Fig.3 Internal surface of weld

3.3 四通裂纹修复

现场采用专用工具沿裂纹方向进行打磨，露出金属本色，保证打磨后保留0.5～1mm壁厚。同时，对裂纹周围10mm范围内进行打磨，去除表面的杂质。现场施工焊接，保证环境适宜，选择湿度小的焊接环境，搭建防风棚进行防护。

焊接选用Φ1.6mm不锈钢焊丝进行焊接，焊缝采用全焊透型式，并且采用小电流焊接。从四通位置最近的工艺接口通入N2进行气体保护。焊接完毕采用不含Cl离子的纯净水进行快速冷却，迅速跨过敏化温度。图4为焊缝裂纹修复后的宏观形貌，见椭圆区域。

图4 修复后焊缝Fig.4 Weld after repair

4 改进措施

四通焊缝热影响区开裂，由于受到海洋大气环境中有害离子的作用，并且承受内部压力产生的拉伸应力，促使产生裂纹。

为了保证系统的长期使用运行可靠，任务后对开裂位置四通进行改造，主要包含以下几方面：

将四通位置更换为两个三通连接，三通采用整体成型型式，可以降低采用焊接四通存在多条交叉焊缝，容易造成应力集中。

制定合理的施工方案，控制管路多余物，防止管路内部污染。采用内部充氮气进行焊接过程中保护，能够有效减少焊缝内表面的焊渣以及氧化皮的产生，保证了管路洁净度。

控制现场管路焊接质量，预防不锈钢的晶间腐蚀。采用小的焊接线能量，可以降低晶间腐蚀的概率。

对管路表面进行防腐处理，抵抗海边盐雾腐蚀。

本文针对某发射场不锈钢管路四通位置焊缝热影响区出现裂纹进行了原因分析，得出了管路大开孔引起应力增大及强度削弱，同时由于焊接过程控制不当，受到盐雾环境影响，在低温工况下工作引起四通失效。根据任务需求提出了快速补救措施以及保证系统长期可靠性运行的改进方案。