某批次規格為EHA400*12的S30403封頭在投入使用兩年后，封頭底部發生開裂泄露，為查明其開裂原因，對其宏觀形貌、化學成分、力學性能、耐腐蝕性能、金相、腐蝕產物進行分析。結果表明：該S30403封頭內壁筋板根部一側焊縫局部焊趾處存在未熔合缺陷，HCl等富Clˉ的工作介質易由未熔合缺陷進入并沉積在搭接間隙內腔，在服役壓力、焊接殘余應力和加工應力的共同作用下，導致焊接薄弱處和封頭表面應力腐蝕開裂。

1、概述

      公司生產的某批次共計6 只規格為EHA400*12的S30403封頭在交付客戶使用兩年后，其中2只封頭在服役過程中發生開裂泄露。該批次封頭生產工藝如下：鋼板切圓-680T冷沖壓成型-坡口-研磨-酸洗-交付。客戶對泄露的封頭進行滲透探傷確定泄漏位置后，將泄漏位置外壁進行打磨和補焊處理（如圖1a所示），補焊所用焊絲熔敷金屬材質為E308L-16。由設備銘牌可知（如圖1b所示），封頭內工作介質中存在HCl等富Clˉ的化合物。

2、失效分析

      為查明其開裂原因，對其中1只開裂封頭進行宏觀形貌、化學成分、機械性能、耐腐蝕性能、斷口形貌、金相組織進行檢測及分析。

2.1 宏觀形貌   

     圖2為封頭內、外壁表面宏觀照片，封頭內壁中間存在一塊筋板，筋板根部與封頭內壁通過兩側的角焊縫連接，封頭內壁存在大量紅褐色銹蝕產物，觀察發現，封頭外壁補焊焊縫恰位于筋板根部與封頭的角焊縫處。對該封頭進行探傷檢查，以確認其內壁表面開裂泄漏位置，圖3為開裂封頭內、外壁表面以及封頭內壁筋板根部兩側角焊縫區域滲透探傷照片，封頭外壁表面未見滲透探傷顯影缺陷，封頭內壁筋板根部兩側角焊縫中A焊縫在焊縫與筋板的焊趾處存在兩處較明顯的滲透探傷顯影缺陷，且其中一處顯影缺陷（1#顯影缺陷）恰位于補焊位置，B焊縫顯影缺陷不明顯。

2.2 化學成分檢測    

      對封頭、筋板和角焊縫基體取樣進行化學成分檢查，結果見表1，封頭和筋板基體化學成分均符合GB/T 24511—2017中S30403技術規范，角焊縫基體化學成分符合角焊縫焊絲熔敷金屬技術規范。

2.3 力學性能檢測    

      對封頭基體取樣進行常溫力學性能測試，結果見表2，其強度明顯高于、斷后伸長率則低于GB/T 24511—2017中經固溶處理的S30403技術規范，這應與其成型加工過程中的冷作硬化作用有關。

2.4 封頭基體耐腐蝕性試驗

     參照GB/T 4334—2020中E法對送檢封頭基體進行晶間腐蝕試驗，試驗后試樣表面均無晶間腐蝕裂紋，如圖4所示。

2.5 金相檢查

2.5.1 封頭和筋板常規金相檢查    

      切取封頭和筋板基體試樣進行金相檢查，根據GB/T 10561—2022評定封頭基體非金屬夾雜物級別為：BT1.0，DT1.0，筋板基體非金屬夾雜物級別為：CT1.5，DT1.0。圖5為封頭和筋板基體金相組織照片，其組織均為奧氏體+5%條狀鐵素體，晶粒度為7級。

2.5.2 封頭1#顯影缺陷截面金相檢查 

      切取1#顯影缺陷截面試樣進行金相檢查，圖6為封頭1#顯影缺陷截面宏觀形貌，1#顯影缺陷為A焊縫焊趾與筋板完全分離形成的縫隙缺陷，縫隙缺陷內存在較多填充物，筋板與封頭之間還存在較大搭接間隙，縫隙缺陷與搭接間隙相連通，1#顯影缺陷附近筋板表面、焊縫根部以及搭接間隙內封頭表面還存在多條曲折分叉裂紋，裂紋均集中于焊縫附近，搭接間隙內封頭表面的其中一條較粗大裂紋延伸至補焊焊縫，較粗大裂紋應是貫穿至外壁的泄漏裂紋。由此推測，1#顯影缺陷處A焊縫焊趾與筋板之間的縫隙缺陷和筋板與封頭之間的搭接間隙內封頭表面的較粗大裂紋相連通導致封頭發生泄漏。

       圖7為封頭1#顯影缺陷縫隙內填充物能譜檢查結果，其主要由O、Si元素組成，腐蝕性介質元素Cl含量也較高，這與其工作介質中元素組成相符。圖8為封頭1#顯影缺陷截面金相組織，1#顯影縫隙缺陷開口較大，缺陷處筋板表面幾乎與筋板母材表面平行，且其表面組織為奧氏體，與母材組織基本一致，焊縫側表面組織為奧氏體+條狀和枝晶狀鐵素體，為典型的奧氏體不銹鋼焊縫組織，焊縫側表面還存在較多絮狀小裂紋，這與其工作介質中存在腐蝕性介質元素Cl有關，1#顯影縫隙缺陷具有焊接未熔合缺陷特征。

     圖9為1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙內封頭表面較粗大裂紋金相組織，較粗大裂紋兩側存在或沿晶或穿晶的分叉裂紋。圖10為1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙內封頭表面較粗大裂紋內填充物能譜檢查結果，填充物中O、F、S、Cl腐蝕性介質元素含量較高，較粗大裂紋符合應力腐蝕裂紋特征。圖11為1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙內封頭表面裂紋金相組織，封頭與筋板搭接間隙內封頭表面還存在多條起源于內壁表面的或沿晶或穿晶的分叉裂紋，均符合應力腐蝕裂紋特征。

3、結果與討論

      經宏觀形貌檢查，封頭內壁中間筋板根部與封頭內壁通過兩側的角焊縫連接，封頭內壁存在大量紅褐色銹蝕產物，封頭外壁泄露處補焊焊縫恰位于筋板根部與封頭的角焊縫處。經探傷檢查，封頭外壁表面未見滲透探傷顯影缺陷，封頭內壁筋板根部兩側角焊縫中A焊縫在焊縫與筋板的焊趾處（補焊位置）存在較明顯的滲透探傷顯影缺陷，將其標識為1#顯影缺陷。

     經化學成分檢測，封頭和筋板基體化學成分均符合GB/T 24511—2017中S30403技術規范，角焊縫基體化學成分符合焊絲熔敷金屬技術規范。

     經力學性能檢測，送檢封頭基體強度明顯高于、斷后伸長率則低于GB/T 24511—2017中經固溶處理的S30403技術規范，這應與其成型加工過程中的冷作硬化作用有關。

     經耐腐蝕性試驗，送檢封頭基體參照GB/T 4334—2020中E法進行晶間腐蝕試驗，試驗后試樣表面均無晶間腐蝕裂紋。

     經金相檢查，封頭和筋板心部組織均為奧氏體+5%條狀鐵素體，晶粒度為7級，組織無明顯異常。根據GB/T 10561—2022評定封頭基體非金屬夾雜物級別為：BT1.0，DT1.0，筋板基體非金屬夾雜物級別為：CT1.5，DT1.0，級別均較低，說明其材質純凈度均較好。

     經金相檢查，封頭1#顯影缺陷為A焊縫焊趾與筋板之間的縫隙缺陷，缺陷內存在主要由O、Si元素組成的填充物，腐蝕性介質元素Cl-含量也較高，這與其工作介質中元素組成相符，縫隙缺陷開口較大，缺陷處筋板表面幾乎與筋板母材表面平行，且其表面組織為奧氏體，與母材組織基本一致，焊縫側表面組織為奧氏體+條狀和枝晶狀鐵素體，為典型的奧氏體不銹鋼焊縫組織，焊縫側表面則存在較多絮狀應力腐蝕小裂紋，1#顯影縫隙缺陷具有焊接未熔合缺陷特征，焊縫側缺陷表面存在應力腐蝕裂紋。而1#顯影缺陷處封頭與筋板搭接間隙較大，間隙內封頭表面存在多條起源于內壁表面的或沿晶、或穿晶的分叉應力腐蝕裂紋，其中一條較粗大的應力腐蝕裂紋延伸至補焊焊縫，裂紋均集中于焊縫附近，由此推測，1#顯影焊接未熔合缺陷和筋板與封頭之間的搭接間隙內封頭表面的較粗大應力腐蝕裂紋相連通導致封頭發生泄漏。

4、結論與建議 

     封頭開裂泄漏為Cl-的工作介質在筋板焊縫內形成持續侵蝕，在服役壓力、焊接殘余應力和加工應力的共同作用下，導致焊接薄弱處和較封閉處的封頭表面應力腐蝕開裂。

      封頭內工作介質中存在HCl等富Cl-的化合物，不銹鋼在含量稍高的氯離子環境中即會被腐蝕，易產生點蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕等。

     在條件允許的情況下，建議降低工作介質中氯離子的含量，以提高封頭的使用壽命。此外，也可采用耐氯離子腐蝕能力強于S30403的S31603、S22053等材料，提高封頭正常情況下的使用壽命。