摘 要：某海上平台液位变送器的管座焊缝处发生断裂失效,为防止类似事件发生。通过宏观检验、化学成分分析、扫描电镜和金相显微分析等理化测试，对断裂管座进行了检测；造成管座断裂主要因素为疲劳断裂，由于管座在制造过程中有加工刀痕，在注水井启动和运行过程中形成裂纹源，随着服役时间的增加#终发生疲劳断裂。建议控制接管内壁加工和焊后热处理来消除疲劳源，从而减少断裂的发生。

1 理化分析及结果

1.1 概述

渤海区域某海平台的注水液位变送器从2009年8月投用，在服役期间注水液位变送器的 3/4"接管与管座连接焊缝位置发生断裂（断裂位置及断裂照片见如图 1）。注水井#大设计压力为 1056psi（7.28MPa），水温为 63℃，注水量 2704 桶/天，接管规格材料为 ASTMA106-B 尺寸 3/4"，连接压力变送器；管座材质为 ASTM A105。注水液位变送器在注水启动和运行过程中存在振动，断裂管段振动较为明显。

1.2 断口宏观检验

对断裂管座进行现场切除时在外壁上标识有上、下两个方向（如图 1）。通过观察接管内壁并无明显的腐蚀现象，但是接管内表面比较粗糙，有加工痕迹；管座外壁涂层基本完好，将外壁涂层去除，外壁未发现裂纹或凹坑类缺陷。为了更方便对管座进行分析，将管座的上方向标记为12 点钟方向，下方向为 6 点钟方向。3 点钟和 9 点钟方向断口表面较粗糙且腐蚀比较严重，6 点钟和 12 点钟方向断口较为平齐，断口附近未发现裂纹等缺陷。测量接管的内径，12 点钟到 6 点钟方向为 15.82mm，3点钟到 9 点钟方向为 16.30mm，3/4"接管的公称内径为15.9mm，断口并无明显的宏观塑性变形。

1.3 成分分析

从管座及接管上取样进行成分分析，测试结果与材质要求如表 1 和表 2 所示，从表 1 可见管座中 Si 含量为 0.52%大于标准值 0.1〜0.35，Si 元素在钢中能提高强度，但降低材料的韧性和塑性。

1.4 微观分析

1.4.1 断口形貌分析

因断口表面暴露在空气中，腐蚀较严重，在扫描电镜下无法观察断口的微观形貌。根据 GB/T 16545[1] 标准，用 500ml盐酸+3.5g 六次甲基四胺+蒸馏水配制成 1000ml 的溶液，在室温下对断口浸泡10min，断口清洗后宏观形貌如图2所示。采用在扫描电镜观察失效断口的微观形貌，结果发现断口 3点钟方向位置，在接管内壁位置开始向左右呈放射状条纹，在高倍下，发现清晰的疲劳条纹，由此推断为沿晶断裂，大部分为准解理断裂形貌[2] ，接管内壁粗糙，有加工痕迹，这些缺陷成了裂纹源。结果如图 3~图 8 所示。

1.4.2 金相显微分析

在断口 3 点钟位置取样，进行研磨、抛光，断口处并无明显可见的非金属夹杂物，浸蚀后进行显微组织、晶粒度分析，断口处组织并不一致，接管显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度都为 9 级[3] ，管座显微组织为铁素体+珠光体，晶粒度都为 9 级[3] ，中间焊缝处组织为珠光体+魏氏组织铁素体+铁素体，晶粒粗大，大约 3 级[3] ，且出现过热组织魏氏组织。结果如图 9 至图 12 所示。

2 分析与讨论

管座的化学分析结果显示 Si 含量超标，Si 含量并不会影响到碳当量，查阅相关资料，并无相关资料显示 Si 含量会影响到焊接性能，因此焊缝处断裂应不应是 Si 含量超标所致。

根据断裂管检验微观显示分析结果可知，附近亦无明显的裂纹，接管无腐蚀现象，断口处无明显宏观塑性变形，所以判断断口为脆性断裂。在扫描电镜下对断口进行分析在断口 3 点钟位置，从接管内壁粗糙处有向两边发散放射状花样，可以判断为疲劳条纹[4] ，断口形貌也具有准解理形态特征，局部出现沿晶断裂特征，以此推定其断裂主要原因为疲劳断裂。

从显微金相分析结果发现，焊缝中存在着明显的魏氏组织，并且从断口面存在着明显的缺陷(夹杂物、空洞)，造成了材料的缺口敏感度加大，抗疲劳性能降低。同时接管内壁加工缺陷的存在，形成疲劳源。

3 结论与建议

（1）接管内壁粗糙形成不同大小尺寸和尖锐程度的小缺口，这种小缺口起到类裂纹源的作用，加上焊缝处存在明显的缺陷，接管注水井启动和运行过程中受到循环应力作用下，导致接管焊缝处疲劳断裂。

（2）建议提高接管内壁的加工精度，改善内表面的应力状态，有利于提高抗疲劳性能。

（3）对焊缝处进行热处理，减少应力集中，提高液位变送器的抗疲劳性能。