摘 要：某海上平臺液位變送器的管座焊縫處發生斷裂失效,為防止類似事件發生。通過宏觀檢驗、化學成分分析、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，在注水井啟動和運行過程中形成裂紋源，隨著服役時間的增加#終發生疲勞斷裂。建議控制接管內壁加工和焊后熱處理來消除疲勞源，從而減少斷裂的發生。

1 理化分析及結果

1.1 概述

渤海區域某海平臺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生斷裂（斷裂位置及斷裂照片見如圖 1）。注水井#大設計壓力為 1056psi（7.28MPa），水溫為 63℃，注水量 2704 桶/天，接管規格材料為 ASTMA106-B 尺寸 3/4"，連接壓力變送器；管座材質為 ASTM A105。注水液位變送器在注水啟動和運行過程中存在振動，斷裂管段振動較為明顯。

1.2 斷口宏觀檢驗

對斷裂管座進行現場切除時在外壁上標識有上、下兩個方向（如圖 1）。通過觀察接管內壁并無明顯的腐蝕現象，但是接管內表面比較粗糙，有加工痕跡；管座外壁涂層基本完好，將外壁涂層去除，外壁未發現裂紋或凹坑類缺陷。為了更方便對管座進行分析，將管座的上方向標記為12 點鐘方向，下方向為 6 點鐘方向。3 點鐘和 9 點鐘方向斷口表面較粗糙且腐蝕比較嚴重，6 點鐘和 12 點鐘方向斷口較為平齊，斷口附近未發現裂紋等缺陷。測量接管的內徑，12 點鐘到 6 點鐘方向為 15.82mm，3點鐘到 9 點鐘方向為 16.30mm，3/4"接管的公稱內徑為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行成分分析，測試結果與材質要求如表 1 和表 2 所示，從表 1 可見管座中 Si 含量為 0.52%大于標準值 0.1〜0.35，Si 元素在鋼中能提高強度，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，腐蝕較嚴重，在掃描電鏡下無法觀察斷口的微觀形貌。根據 GB/T 16545[1] 標準，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，結果發現斷口 3點鐘方向位置，在接管內壁位置開始向左右呈放射狀條紋，在高倍下，發現清晰的疲勞條紋，由此推斷為沿晶斷裂，大部分為準解理斷裂形貌[2] ，接管內壁粗糙，有加工痕跡，這些缺陷成了裂紋源。結果如圖 3~圖 8 所示。

1.4.2 金相顯微分析

在斷口 3 點鐘位置取樣，進行研磨、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] ，且出現過熱組織魏氏組織。結果如圖 9 至圖 12 所示。

2 分析與討論

管座的化學分析結果顯示 Si 含量超標，Si 含量并不會影響到碳當量，查閱相關資料，并無相關資料顯示 Si 含量會影響到焊接性能，因此焊縫處斷裂應不應是 Si 含量超標所致。

根據斷裂管檢驗微觀顯示分析結果可知，附近亦無明顯的裂紋，接管無腐蝕現象，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行分析在斷口 3 點鐘位置，從接管內壁粗糙處有向兩邊發散放射狀花樣，可以判斷為疲勞條紋[4] ，斷口形貌也具有準解理形態特征，局部出現沿晶斷裂特征，以此推定其斷裂主要原因為疲勞斷裂。

從顯微金相分析結果發現，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。同時接管內壁加工缺陷的存在，形成疲勞源。

3 結論與建議

（1）接管內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，接管注水井啟動和運行過程中受到循環應力作用下，導致接管焊縫處疲勞斷裂。

（2）建議提高接管內壁的加工精度，改善內表面的應力狀態，有利于提高抗疲勞性能。

（3）對焊縫處進行熱處理，減少應力集中，提高液位變送器的抗疲勞性能。