某工业水泥厂在2024年1月检修期间，发现某分汽缸筒体与封头焊接接头处存在多条裂纹。该分汽缸于2012年6月生产，主体为单层板焊结构，卧式支座，设计压力为0.22MPa，设计温度为180℃，设计使用介质为水、蒸汽。筒体和封头材料为Q235B钢，规格为4540mm×800mm×8mm（外径×长度× 壁厚）。资料显示，该容器自2013年投入使用以来，已先后经历过两次开裂补焊操作，第一次补焊发生时间为2020 年，容器出现环向裂纹并进行补焊，第二次发生时间为2022年，容器出现多处环向和纵向裂纹并经历了补焊操作。为保障设备的安全运行，研究人员采用一系列理化检验方法对该分汽缸焊接接头的开裂原因进行分析，并制定了相应的预防措施，以避免该类事故再次发生。

 

01 理化检验

1.1 宏观观察

开裂分气缸宏观形貌如图1所示，图1中编号①为2018年环向焊缝补焊区域，编号②为2020年环向和纵向焊缝补焊区域。分汽缸蒸汽管入口侧筒体与封头焊缝区可见多处补焊痕迹，补焊焊口沿封头环焊缝环向和纵向分布，部分环向补焊口位于主焊缝的热影响区，该处出现补焊位置重叠现象，同时一些纵向补焊口直接贯穿主焊缝区。补焊口外表面凹凸不平，存在焊缝余高过大，以及明显的内凹、咬边现象。将分汽缸沿蒸汽管入口侧筒体切断，观察筒体内表面，发现筒体底部存在大量积水及黑色污泥状沉积物。将内表面沉积物清理后观察，发现焊缝位置存在多条长短不一的环向或纵向裂纹，其中最长一条裂纹位于内表面焊缝焊趾处，裂纹长度约为30mm，裂纹开口较大，内部填充氧化腐蚀产物。现场测量分汽缸封头的壁厚，最小值为7.56mm，筒体壁厚最小值为8.04mm，整个筒体未见明显减薄及鼓包、变形。

1.2 力学性能测试

在开裂位置分别截取筒体、母材和焊缝区域试样，对试样进行力学性能测试。按照标准GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》制备宽度为10mm的条状试样，采用电子万能拉力试验机对该试样进行拉伸试验；按照标准GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》制备尺寸为5mm×10mm×55mm（长度×宽度×高度）的夏比V型缺口试样，采用冲击试验机对该试样进行冲击试验；采用全自动布氏硬度计对试样进行布氏硬度测试，结果如表1所示。由表1可知：材料的抗拉强度、断后伸长率、布氏硬度均符合标准GB/T 700—2006《碳素结构钢》的要求，但焊缝试样的屈服强度低于标准要求（≥ 235MPa），同时焊缝附近区域的冲击吸收能量仅为18J，远低于标准规定的下限值，表明材料变得硬且脆。

1.3 金相检验

在分汽缸开裂补焊位置截取母材和焊缝试样，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：补焊位置区域筒体母材、焊缝的显微组织均为铁素体+珠光体，部分珠光体区域存在碳化物扩散，球化级别均为2.0级；上部焊缝区组织为先共析铁素体和珠光体，呈枝晶状分布，下部热影响区为过热的珠光体和铁素体。在补焊位置的靠近筒体与焊缝截面熔合线处可见一条长度约为5mm 的裂纹，裂纹启裂于焊缝焊趾处，沿焊缝熔合区由内表面向外表面扩展，止裂于2/3焊缝厚度位置。开裂形式主要为沿晶开裂，部分为穿晶开裂，主裂纹附近可见大量二次裂纹，二次裂纹呈树枝状，多数为沿晶开裂，主裂纹和二次裂纹被氧化物填充。

 

1.4 扫描电镜（SEM）和能谱分析

用扫描电镜对人工打开断口区进行观察和能谱分析，结果如图3所示。由图3可知：断裂区被一层龟裂状腐蚀产物覆盖，能谱分析结果显示腐蚀产物的化学成分主要为铁、氧、碳元素，还有少量的钠、磷、硫元素。采用体积分数为5%的稀盐酸清洗断口，将其置于扫描电镜下观察，断口由内表面开裂区和近外表面的少量撕裂区组成。断口开裂形式主要为沿晶开裂，部分为穿晶开裂，撕裂区域可见明显韧窝形貌，并存在大量沿晶二次裂纹。

1.5 X射线衍射分析

对分汽缸内的积水和底部沉积物进行取样化验，同时采用X射线衍射仪分别对断口部位的腐蚀产物、残留水样结晶物进行物相分析，结果如图4 所示。分汽缸内部残留积水中Na+ 的质量浓度达到46870mg/L，底部沉积物中Na元素质量分数达到3.05%，远超过正常范围。物相分析结果表明，断口表面的腐蚀产物主要成分为Fe2O3、Fe3O4，残留水样结晶物主要成分为Na6CO3(SO4)2和CaSO4。

 

02 综合分析

分汽缸整体未见明显的减薄、鼓包、变形现象。母材和封头焊缝外表面可见沿焊缝环向和纵向的挖补焊缝，存在补焊位置重叠现象。补焊口外表面凹凸不平，存在焊缝余高过大及明显的内凹、咬边现象，筒体内表面焊趾处存在环向裂纹和纵向裂纹。筒体底部可见大量积水及黑色污泥状沉积物，取样化验结果表明分汽缸内部残留积水中Na+质量浓度达到46870mg/L，底部黑色沉积物中Na 元素质量分数达到3.05%，均高于正常值。分汽缸筒体和封头母材的力学性能均满足标准要求，焊缝近裂纹区的屈服强度及冲击吸收能量远低于标准规定的下限值。筒体母材的显微组织均为铁素体+珠光体，部分珠光体区域存在碳化物扩散。焊缝区为先共析铁素体和珠光体，呈枝晶状分布，热影响区为过热的珠光体和铁素体。筒体与焊缝焊趾处存在一条沿熔合区开裂的沿晶主裂纹，主裂纹附近可见大量沿晶二次裂纹。人工打开裂纹，可见断口表面附着一层腐蚀产物和部分水样结晶物，腐蚀产物主要成分为Fe2O3、Fe3O4，残留水样结晶物主要成分为Na6CO3(SO4)2和CaSO4。清洗断口后，发现断口开裂形式以沿晶开裂为主，部分为穿晶开裂，在人工撕裂区域存在明显韧窝形貌，并存在大量沿晶二次裂纹。

容器制造资料表明，其采用氩弧焊打底，手工电弧焊盖面的焊接方式。由于焊接操作不当，焊缝表面存在较大的余高及咬边，这种位于焊缝表面的几何不连续极易使材料形成应力集中。锅炉水质化验记录显示，该台锅炉自2018年以来，水的pH保持在11.6~12.4，pH偏高，蒸汽中呈现出典型的高温碱性环境。当锅炉在长期变载荷下运行时，主蒸汽进入分汽缸过程中形成冲击载荷，应力集中区域会形成微小的裂纹。同时蒸汽品质不高，携带大量的碱金属，碳酸根、硫酸根离子也一同进入分汽缸中，在高温碱性环境下发生以下化学反应，生成NaFeO2和Na2FeO2，这两种物质为疏松多孔的磁性氧化物，其在分汽缸内表面不断聚集、沉积，并与炉水中的碳酸根离子和硫酸根离子接触，水解成疏松的Na6CO3(SO4)2和CaSO4，破坏了金属表面的Fe3O4 保护膜。腐蚀性碱金属碳酸盐在焊缝粗糙表面、焊缝焊趾，以及存在内凹、咬边、错边等缺陷位置进一步发生浓缩，并在局部间隙中形成小阳极、大阴极的电偶腐蚀，在蒸汽冲击载荷的作用下，材料发生典型的碱应力腐蚀开裂。

根据现场了解，该分汽缸在第一次发生热影响区环向裂纹泄漏时，焊接人员仅对裂纹处进行打磨，并未进行圆滑过渡和加工坡口，导致补焊口表面存在焊缝余高过大，以及明显的内凹、咬边缺陷，进一步促进了碱应力腐蚀裂纹的扩展。同时，补焊位置与原封头环焊缝间距不足，焊接过程中产生的高热量直接加热封头环焊缝，使封头环焊缝处于过热状态，接头变得硬而脆，材料的显微组织表现为过热状态，整体力学性能下降。当分汽缸重新投入使用后，由于碱应力腐蚀环境不变，封头环焊缝和补焊位置的整体力学性能下降，因此分汽缸在承受较大径向应力时发生多处纵向开裂，而焊接人员依然采取不合格的焊接工艺进行补焊，致使该分汽缸再一次发生开裂泄漏事故。

综上分析，分汽缸开裂的主要原因是焊接工艺不对，焊缝间距较小，在补焊位置形成过热区，导致材料性能下降，同时焊工操作不当，焊缝表面和焊趾区存在错边、咬边等缺陷，材料形成局部应力集中。当蒸汽携带大量碱金属化合物进入分汽缸时，在焊接接头内凹、咬边、错边位置发生沉积和浓缩。随着焊接接头开裂敏感性进一步提高，在不断的蒸汽冲击载荷作用下，最终材料发生碱应力腐蚀开裂。

 

03 结论与建议

（1）分汽缸开裂的原因是母材和封头补焊区域的焊接工艺执行不到位，焊缝间距过小并形成过热区，同时焊缝表面存在错边、咬边缺陷，在局部形成焊接残余应力，在高温碱金属盐蒸汽环境及蒸汽压力的作用下，材料发生碱应力腐蚀开裂。

（2）加强蒸汽和水质量的监督，严格控制蒸汽中腐蚀性介质的含量。

（3）严格执行正确的焊接工艺，减少焊接缺陷，避免出现焊接过热现象；采取合适的焊后热处理工艺，消除由于焊接作业带来的应力集中。

（4）加强焊接接头的宏观观察和无损检测，消除焊接产生的内凹、咬边、错边等易形成沉积液位置，对补焊位置进行表面缺陷检测和内部埋藏性缺陷检测。

单位：龚光平，马源旺，张凯，张凯博，陈晨

 

来源：理化检验物理分册

关键词： 分汽缸 焊接接头 开裂分析