摘 要：某海上平臺(tái)液位變送器的管座焊縫處發(fā)生斷裂失效,為防止類似事件發(fā)生。通過宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、掃描電鏡和金相顯微分析等理化測試，對斷裂管座進(jìn)行了檢測；造成管座斷裂主要因素為疲勞斷裂，由于管座在制造過程中有加工刀痕，在注水井啟動(dòng)和運(yùn)行過程中形成裂紋源，隨著服役時(shí)間的增加#終發(fā)生疲勞斷裂。建議控制接管內(nèi)壁加工和焊后熱處理來消除疲勞源，從而減少斷裂的發(fā)生。
1 理化分析及結(jié)果
1.1 概述
渤海區(qū)域某海平臺(tái)的注水液位變送器從2009年8月投用，在服役期間注水
液位變送器的 3/4"接管與管座連接焊縫位置發(fā)生斷裂（斷裂位置及斷裂照片見如圖 1）。注水井#大設(shè)計(jì)壓力為 1056psi（7.28MPa），水溫為 63℃，注水量 2704 桶/天，接管規(guī)格材料為 ASTMA106-B 尺寸 3/4"，連接壓力變送器；管座材質(zhì)為 ASTM A105。注水液位變送器在注水啟動(dòng)和運(yùn)行過程中存在振動(dòng)，斷裂管段振動(dòng)較為明顯。
1.2 斷口宏觀檢驗(yàn)
對斷裂管座進(jìn)行現(xiàn)場切除時(shí)在外壁上標(biāo)識(shí)有上、下兩個(gè)方向（如圖 1）。通過觀察接管內(nèi)壁并無明顯的腐蝕現(xiàn)象，但是接管內(nèi)表面比較粗糙，有加工痕跡；管座外壁涂層基本完好，將外壁涂層去除，外壁未發(fā)現(xiàn)裂紋或凹坑類缺陷。為了更方便對管座進(jìn)行分析，將管座的上方向標(biāo)記為12 點(diǎn)鐘方向，下方向?yàn)?6 點(diǎn)鐘方向。3 點(diǎn)鐘和 9 點(diǎn)鐘方向斷口表面較粗糙且腐蝕比較嚴(yán)重，6 點(diǎn)鐘和 12 點(diǎn)鐘方向斷口較為平齊，斷口附近未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。測量接管的內(nèi)徑，12 點(diǎn)鐘到 6 點(diǎn)鐘方向?yàn)?15.82mm，3點(diǎn)鐘到 9 點(diǎn)鐘方向?yàn)?16.30mm，3/4"接管的公稱內(nèi)徑為15.9mm，斷口并無明顯的宏觀塑性變形。
1.3 成分分析
從管座及接管上取樣進(jìn)行成分分析，測試結(jié)果與材質(zhì)要求如表 1 和表 2 所示，從表 1 可見管座中 Si 含量為 0.52%大于標(biāo)準(zhǔn)值 0.1〜0.35，Si 元素在鋼中能提高強(qiáng)度，但降低材料的韌性和塑性。
1.4 微觀分析
1.4.1 斷口形貌分析
因斷口表面暴露在空氣中，腐蝕較嚴(yán)重，在掃描電鏡下無法觀察斷口的微觀形貌。根據(jù) GB/T 16545[1] 標(biāo)準(zhǔn)，用 500ml鹽酸+3.5g 六次甲基四胺+蒸餾水配制成 1000ml 的溶液，在室溫下對斷口浸泡10min，斷口清洗后宏觀形貌如圖2所示。采用在掃描電鏡觀察失效斷口的微觀形貌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷口 3點(diǎn)鐘方向位置，在接管內(nèi)壁位置開始向左右呈放射狀條紋，在高倍下，發(fā)現(xiàn)清晰的疲勞條紋，由此推斷為沿晶斷裂，大部分為準(zhǔn)解理斷裂形貌[2] ，接管內(nèi)壁粗糙，有加工痕跡，這些缺陷成了裂紋源。結(jié)果如圖 3~圖 8 所示。
1.4.2 金相顯微分析
在斷口 3 點(diǎn)鐘位置取樣，進(jìn)行研磨、拋光，斷口處并無明顯可見的非金屬夾雜物，浸蝕后進(jìn)行顯微組織、晶粒度分析，斷口處組織并不一致，接管顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度都為 9 級[3] ，管座顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度都為 9 級[3] ，中間焊縫處組織為珠光體+魏氏組織鐵素體+鐵素體，晶粒粗大，大約 3 級[3] ，且出現(xiàn)過熱組織魏氏組織。結(jié)果如圖 9 至圖 12 所示。
2 分析與討論
管座的化學(xué)分析結(jié)果顯示 Si 含量超標(biāo)，Si 含量并不會(huì)影響到碳當(dāng)量，查閱相關(guān)資料，并無相關(guān)資料顯示 Si 含量會(huì)影響到焊接性能，因此焊縫處斷裂應(yīng)不應(yīng)是 Si 含量超標(biāo)所致。
根據(jù)斷裂管檢驗(yàn)微觀顯示分析結(jié)果可知，附近亦無明顯的裂紋，接管無腐蝕現(xiàn)象，斷口處無明顯宏觀塑性變形，所以判斷斷口為脆性斷裂。在掃描電鏡下對斷口進(jìn)行分析在斷口 3 點(diǎn)鐘位置，從接管內(nèi)壁粗糙處有向兩邊發(fā)散放射狀花樣，可以判斷為疲勞條紋[4] ，斷口形貌也具有準(zhǔn)解理形態(tài)特征，局部出現(xiàn)沿晶斷裂特征，以此推定其斷裂主要原因?yàn)槠跀嗔选?/div>
從顯微金相分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊縫中存在著明顯的魏氏組織，并且從斷口面存在著明顯的缺陷(夾雜物、空洞)，造成了材料的缺口敏感度加大，抗疲勞性能降低。同時(shí)接管內(nèi)壁加工缺陷的存在，形成疲勞源。
3 結(jié)論與建議
（1）接管內(nèi)壁粗糙形成不同大小尺寸和尖銳程度的小缺口，這種小缺口起到類裂紋源的作用，加上焊縫處存在明顯的缺陷，接管注水井啟動(dòng)和運(yùn)行過程中受到循環(huán)應(yīng)力作用下，導(dǎo)致接管焊縫處疲勞斷裂。
（2）建議提高接管內(nèi)壁的加工精度，改善內(nèi)表面的應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高抗疲勞性能。
（3）對焊縫處進(jìn)行熱處理，減少應(yīng)力集中，提高液位變送器的抗疲勞性能。
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