4.5 腐蚀疲劳

★ 4.5.6 压力容器腐蚀疲劳失效案例 ★

案例一

氢化反应器换热板及连接件腐蚀疲劳断裂

某氢化反应器设计压力：管程0.6MPa、壳程2.89MPa，操作压力：管程0.6MPa、壳程静压，设计温度：管程25℃、壳程150℃；操作温度：管程23℃、壳程70℃；介质成分：管程循环水、壳程生活消防水。换热板材质为022Cr17Ni12Mo2、连接件管06Cr18Ni11Ti，使用72h时发生换热板连接件进水分管和总管角焊缝疲劳开裂，换热板发生应力腐蚀开裂。

失效样品宏观形貌见图4-240。

01 检验分析

①宏观检查。

换热板连接件沿进水分管和总管角焊缝的分水管一侧断裂，图4-241，连接件无明显变形，断面无金属光泽，壁厚无减薄。

图4-240  失效样品宏观形貌

图4-241  连接件断裂部位

②硬度检查。

按GB/T 4340.1 金属维氏硬度试验 第1部分：试验方法对角焊缝各部位进行硬度测试，结果见表4-71，检查结果表明焊缝硬度偏高。

表4-71 角焊缝各部位进行硬度测试结果

③金相检验。

管子均为奥氏体+带状α铁素体+晶界点状析出，图4-242，角焊缝为奥氏体+铁素体。连接管件焊接接头，图4-243。总管开坡口，深度不足总管壁厚1/2，小管插入外部焊接，内壁为未焊透结构，图4-244。连接管件金相组织中存在带状铁素体、晶界析出物和形变马氏体，说明材料固溶处理不好。晶界析出物和形变马氏体影响材料的耐腐蚀性能。连接件小管内壁存在腐蚀特征，图4-245。

图4-242  管子母材带状组织

图4-243  角焊缝熔合区

图4-244  连接管件焊接接头

图4-245  小管内壁表面

④断口分析。

连接件沿进水管与总管角焊缝的进水管一侧断裂，断面无塑性变形，壁厚无减薄、无明显的腐蚀特征，断面无金属光泽；裂纹多源期裂，起始于内外壁表面，扩展初期断面较平齐，随裂纹的扩展断面起伏大，并出现多个台阶，图4-246，呈脆性特征。

图4-246   断裂面宏形貌

微观形貌，分别取连接件小管裂纹源区，裂纹扩展区和裂纹扩展后期进行观察，裂纹源区和扩展初期，特征呈条纹和解理，裂纹扩展后期为平行微裂纹+解理，图4-247。扩展区有二次裂纹，表明同时存在应力腐蚀开裂特征，图4-247c、d。

图4-247  接管断口微观形貌

⑤综合分析

连接管件焊接接头总管坡口深度不足总管壁厚1/2，小管插入外部焊接，内壁为未焊透结构。断口分析结果表明连接件为疲劳断裂，裂纹扩展后期同时具有应力腐蚀开裂特征。断裂部位是该焊接接头薄弱点，其承载能力不足，并且存在结构性应力集中和缺口效应，在交变应力作用下导致接管焊缝发生疲劳断裂。

设备结构分析表明，共振是导致疲劳的主要力学因素。焊缝硬度偏高，表明焊接工艺失控，对疲劳敏感性增加。接管材料固溶处理不好，晶界析出物和形变马氏体影响材料的耐腐蚀性能。换热板在短时间内发生开裂，说明水质中的Cl-含量较高，且运行中应在80℃以上停留了较长时间，对腐蚀疲劳和应力腐蚀起到促进作用。