焊接裂紋是在焊接應力及其他因素的共同作用下，材料的原子結合遭到破壞，形成新界面而產生的縫隙[1]。近年來，隨著機械、能源、石油化工等工業的發展，各種焊接結構也日趨大型化、高參數化，在生產中，這些焊接結構最常出現的、危害最大的焊接缺陷之一就是焊接裂紋。焊接裂紋種類繁多，產生的原因各不相同。有些焊接裂紋會在焊后立即產生，有些焊接裂紋則可能在焊后一段時間才產生，也有些焊接裂紋是焊接結構在服役過程中，在外界條件誘導下產生的，因此預防焊接裂紋的產生較困難[2-4]。

某公司新投入使用的儲氣罐使用不足1 a即發生開裂泄漏。經檢查，漏點位于筒體與進氣接管的位置。該儲氣罐筒體材料為Q345R鋼，規格為2 000 mm×12 mm（外徑×壁厚），設計壓力為1.58 MPa，設計溫度為50 ℃，容積為12 m3，工作介質為空氣、氮氣、氬氣；接管材料為20鋼，規格為89 mm×6 mm（外徑×壁厚），執行標準為GB/T 8163—2018 《輸送流體用無縫鋼管》。筆者采用一系列理化檢驗方法對儲氣罐開裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發生。

1. 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

將漏點附近的防腐漆去除，觀察儲氣罐外部的宏觀形貌，結果如圖1所示。由圖1可知：表面裂紋沿角焊縫分別向筒體和接管側開裂，除少量銹跡外，未見異常腐蝕產物。

圖 1儲氣罐外部宏觀形貌

沿角焊縫將裂紋完整切取，沿軸線方向觀察儲氣罐內部，結果如圖2所示。由圖2可知：接管內壁可見兩條獨立裂紋，結合角焊縫內、外表面裂紋特征，確定兩條裂紋已貫穿壁厚，但未交匯連接，未交匯處位于焊縫區。初步推測，裂紋起源于焊縫區，并分別向筒體和接管兩側擴展。

圖 2儲氣罐內部宏觀形貌

在裂紋附近取角焊縫接頭進行宏觀金相檢驗，按GB/T 6417.1—2005《金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明》標準評定，角焊縫接頭存在未熔合缺陷（見圖3）。

圖 3角焊縫接頭宏觀形貌

將貫穿裂紋打開，表面可見紅棕色腐蝕產物，清洗后觀察，斷口表面平齊，無明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征（見圖4）。

圖 4斷口的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

依據GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，采用全譜直讀光譜儀對儲氣罐筒體、接管及焊縫的化學成分進行分析，結果如表1~3所示。由表1~3可知：儲氣罐筒體的化學成分符合GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》對Q345R鋼的要求；接管的化學成分符合GB/T 8163—2018對20鋼的要求；焊縫的化學成分符合GB/T 5117—2012 《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》對E5015鋼的要求。

1.3 掃描電鏡（SEM）及能譜分析

利用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，結果如圖5所示。由圖5可知：斷口上可見清晰的解理臺階，呈典型的脆性開裂特征，與斷口的宏觀形貌吻合。

圖 5斷口SEM形貌

對斷口表面腐蝕產物進行能譜分析，分析位置如圖4所示，分析結果如表4所示。由表4可知：斷口表面以Fe、O元素為主，未見腐蝕性元素。

1.4 金相檢驗

依據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》，對角焊縫接頭進行金相檢驗，結果如圖6，7所示。由圖6，7可知：筒體母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，接管母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，焊縫區呈現粗大的樹枝晶組織，熱影響區具有明顯的粗晶區。

圖 6筒體側顯微組織形貌

圖 7接管側顯微組織形貌

角焊縫接頭右側焊趾部位可見一條微裂紋（見圖8），裂紋沿粗晶區開裂，以穿晶形式擴展（見圖9）。沿截面向裂紋左側觀察，發現接管側熱影響區的寬度遠超正常的管-板角接接頭熱影響區的寬度，甚至遠離角焊縫的接管母材組織也發生了相變，由正常的鐵素體+珠光體完全變成了魏氏組織，且越接近接角焊縫，原奧氏體晶粒度越大（見圖10）。

圖 8角焊縫接頭右側焊趾部位微觀形貌

圖 9裂紋的微觀形貌

圖 10角焊縫下側接管顯微組織形貌

2. 綜合分析

儲氣罐筒體和接管材料的化學成分符合相關標準。宏觀斷口表面平齊，無明顯塑性變形痕跡，具有脆性斷裂特征。斷口上可見清晰的解理臺階，呈脆性解理開裂特征，故確定儲氣罐角焊縫發生了脆性開裂。

焊接接頭存在未熔合缺陷，但起裂點不在該缺陷處，說明開裂并非因未熔合缺陷引起。筒體母材組織正常，由鐵素體和珠光體組成，筒體側熱影響區由熔合區、粗晶區、細晶區組成，接管側熱影響區組織與筒體側熱影響區組織形態無明顯差異，接管母材組織正常，同樣由鐵素體和珠光體組成。但接管側熱影響區的寬度遠超正常管-板角接接頭熱影響區的寬度，靠近角焊縫接管組織的鐵素體+珠光體形態完全消失，且沿壁厚方向，整個截面完全呈魏氏組織形態。焊接接頭熱影響區粗晶區形成魏氏組織，符合冷卻轉變規律[5]，但是接管整個截面均形成了魏氏組織，說明接管在焊接過程中發生了嚴重過熱。魏氏組織是碳鋼或合金鋼過熱相變后經冷卻形成的組織，是鋼的一種過熱缺陷組織。魏氏組織會導致鋼的力學性能，特別是沖擊韌性和塑性顯著降低，并可提高鋼的韌-脆轉變溫度，增加鋼發生脆性斷裂的敏感性[6-8]。

脆性斷裂主要分為低溫脆裂和腐蝕環境脆裂。能譜分析結果顯示，貫穿的裂紋面上除Fe、O元素外，無其他腐蝕性元素，說明開裂與腐蝕環境無關。根據委托方提供的信息可知，該儲氣罐開裂泄漏時正是冬季雨雪天氣，環境溫度普遍低于0 ℃。在低溫環境下焊接接頭韌性進一步降低，在焊接殘余應力和工作應力的作用下，焊縫近熔合線處開始萌生裂紋，隨著時間的推移，裂紋會優先在熱影響區擴展交匯，逐漸延伸至接管和筒體兩側，由于接管和筒體母材韌性較好，裂紋擴展速率降低，直至裂紋中止。

3. 結論與建議

（1）由于焊接熱輸入量過大，焊縫出現粗大的枝晶組織，且入口接管側母材嚴重過熱，組織相變形成魏氏組織，降低了角焊縫接頭的韌性，在焊接殘余應力和工作應力的共同作用下，焊縫近熔合線處萌生了微裂紋，裂紋優先在熱影響區擴展，最終導致儲氣罐焊縫發生了脆性開裂。

（2）建議在儲氣罐制造及維修過程中，嚴格執行NB/T 47014—2023 《承壓設備焊接工藝評定要求》標準，控制熱輸入量，減少過熱組織，避免產生焊接缺陷。

文章來源——材料與測試網