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汽輪機機組不銹鋼管式冷油器泄漏原因分析？ 
汽輪機機組不銹鋼管式冷油器泄漏原因分析？制造完成后的不銹鋼管式冷油器在進行100%密封性試驗時發現，大部分管式冷油器出現泄漏失效。采用外觀和截面金相觀察方法分析了管式冷油器失效件裂紋的數量、分布、形態、裂紋表面成分變化等特征，采用仿真分析方法分析了TIG焊接對管式冷油器蓋板和殼體的溫度場與殘余應力的影響,通過綜合分析提出了裂紋產生的根本原因，采用截面金相觀察方法驗證了改進措施的效果。研究表明:不銹鋼管式冷油器在TtG焊接過程中由于高溫使Cu釬縫擴散而在蓋板、芯片中產生了晶界開裂，油冷卻器結構設計不當是不銹鋼管式冷油器出現泄漏的根本原因。針對根本原因，提出了増加蓋板和殼體板厚的結構設計改進措施。
不銹鋼管式冷油器的工作原理是利用循環的冷卻液對發動機機油進行冷卻,保證發動機機油在合適的溫度區間工作。根據結構的不同,不銹鋼管式冷油器有裝配式、釬焊式和釬焊-熔焊組合式3種'S。釬焊-熔焊組合方式是指不銹鋼管式冷油器的芯子采用釬焊結構,殼體采用熔焊的方法與芯子進行連接。釬焊-熔焊組合方式應用靈活，對零件精度和產品結構限制少，在中大型不銹鋼管式冷油器中得到廣泛應用。純Cu釬料具有釬縫強度高，零件配合間隙要求低和成本低的優點，目前絕大多數不銹鋼管式冷油器都采用純Cu釬料進行釬焊連接”句，由于純Cu在真空狀態下蒸汽壓較低,釬焊后在非釬焊區域的不銹鋼表面上出現大量殘余Cu釬料。此外,采用純Cu釬料釬焊時存在一定的擴散現象，可以提高兩側母材的界面結合力。
不銹鋼由于其具有較好的耐腐蝕性，在熱交換器行業中得到廣泛應用。不銹鋼線膨脹系數大、導熱性差，因此焊接工藝性較差。當結構拘束度或焊接熱輸入較大時,焊接時容易在焊縫和熱影響區出現裂紋，并且焊接后產品中存在較大的殘余應力和變形”氣Shankar等〔研究了奧氏體不銹鋼中合金元素對焊接熱裂紋的影響,部分合金元素在焊接時形成低熔點共晶，導致晶界開裂。
國內外已有對含Cu釬料釬焊不銹鋼岀現釬焊裂紋的研究報道。采用含Cu釬料對奧氏體不銹鋼或鍍鋅鋼進行電弧及激光釬焊研究，發現釬焊時Cu釬料往母材晶界擴散，導致晶界弱化，冷卻時在焊接拉應力的作用下開裂。
截止目前，國內外已經進行了大量關于不銹鋼管式冷油器釬焊和不銹鋼焊接開裂的研究,但沒有出現過因為焊接導致不銹鋼管式冷油器開裂失效的報道。對不銹鋼管式冷油器開裂進行失效分析，找岀失效的根本原因，為提升產品質量指明方向，具有十分重要的意義。
1失效分析
1.1背景信息
不銹鋼管式冷油器內部的芯片、翅片和外部的蓋板、殼體、進岀水油口材料為鐵素體不銹鋼。管式冷油器的芯片、翅片、蓋板和進出油管零件通過真空釬焊的方式連接成為一個芯子，釬料為純Cu釬料，釬焊溫度略高于純Cu的熔點。管式冷油器外部的殼體零件通過TIG焊的方式與蓋板進行焊接，進出水管通過TIG焊的方式與殼體進行焊接,從而形成一個成品。焊絲牌號為ER312。不銹鋼管式冷油器成品如圖1所示。
圖1不銹鋼管式冷油器
不銹鋼管式冷油器制造完成后進行100%密封性試驗。試驗發現，大部分不銹鋼管式冷油器發生泄漏失效。管式冷油器在使用中如果發生泄漏，機油與冷卻液發生混合，甚至可能導致整臺發動機報廢。
1.2外觀分析
密封性檢驗時對泄漏點進行標注，并采用線切割的方式在失效點附近進行取樣。圖2為失效件失效點附近的外觀照片。圖2a為蓋板焊縫全貌,蓋板焊縫為圓周焊縫，釆用TIG焊分段焊接。將失效件外表面放在光學顯微鏡下放大觀察時發現，在焊縫收弧點附近的熱影響區表面存在1條長度為0.2mm的微裂紋。將失效件內表面的對應位置放大觀察發現，內表面存在3條微裂紋，裂紋長度為1.3~3.7mm。失效件內表面的裂紋寬度大于外表面裂紋寬度。
1.3截面金相分析
圖3為不銹鋼管式冷油器失效件垂直于焊縫的截面宏觀金相組織。從圖中可知，不同于表面觀察到的僅有幾條微裂紋，在失效件的一個截面上就觀察到了大量裂紋。并且裂紋分布與焊縫熔深有關，焊縫熔深越大的地方,其附近的裂紋數量越多。蓋板下表面距離焊縫小的距離不足1mm。
圖4為失效點附近截面的微觀金相組織。從圖4可知，芯片與蓋板上的裂紋沒有貫穿而形成一條裂紋，并且大部分裂紋都是在蓋板內部產生的。將圖4a、4b的紅色方框位置的裂紋進行局部放大（圖4c、圖4d）可見，裂紋兩側的不銹鋼裂紋表面上都存在著純Cu釬料，純Cu釬料甚至滲入到鐵素體不銹鋼內部。純Cu釬料已經滲入到遠離釬縫的蓋板內部。釬縫中的釬料往蓋板內滲入后，釬縫中釬料減少,導致釬縫中心存在較大的空隙，圖4e可以直接證明蓋板裂紋中滲入的Cu來源于釬縫。圖4f為經過腐蝕后的失效件截面形貌。經過腐蝕后，晶間發生Cu滲入后能夠明顯地顯現出來,可知蓋板及芯片內部發生比較嚴重的晶間滲入問題。
一般來說,釆用純Cu釬料釬焊不銹鋼，釬縫兩側的母材會發生輕微的晶間滲入問題。Cu的晶間滲入不超過100|xm,而圖4f的Cu晶間滲入深度已經超過了1mm,晶間滲入的Cu已經到達焊接熱影響區。因此可以推斷出蓋板內部的Cu晶間異常滲入與TIG焊有關。
TIG焊時，由于TIG焊縫距離釬縫非常近,蓋板厚度為2mm,考慮熔深的影響,TIG焊縫距離釬縫距離不足1.5mm,釬縫處于TIG焊縫的影響區范圍內。TIG焊時產生的熱量傳遞至釬縫中，導致釬料熔化，這一點可以從圖4e中發現。TIG焊時焊接熱影響區附近產生的拉應力加劇了Cu的晶間滲入。Cu的晶間滲入導致蓋板的晶界強度降低，對于Cu晶間滲入嚴重的區域，蓋板焊接冷卻時產生的拉應力足以導致晶界開裂。而Cu晶間滲入不嚴重的區域沒有發生晶界開裂現象。
對于圖3a中的情況，雖然蓋板部分區域沒有釬縫存在，但由于釬焊時釬料漫流至蓋板表面,Cu晶間滲入產生的效果與有釬縫時相同。
從圖3、圖4可知，失效件中實際存在的裂紋數目大于表面存在的裂紋數目，部分裂紋只是在蓋板內部存在，沒有擴展至表面，雖然沒有在密封性試驗時造成產品泄漏，但存在較大的質量隱患O如果產品運行時內部存在的裂紋發生擴散，同樣會導致產品開裂泄漏。
1.4焊接溫度場與殘余應力模擬
由于焊接時，蓋板下表面處于產品內部，無法通過熱電偶或紅外測溫儀測量蓋板下表面的溫度,因此采用焊接模擬的方法計算焊接時蓋板下表面的溫度變化。焊接模擬時采用的工藝參數與實際焊接時相同，焊接電流為220A,焊接電壓為19V,焊接速度6.5mm/s0焊接順序也采用實際焊接順序，分3段焊接。蓋板厚度為2mm,殼體板厚為1.5mm。由于實際產品結構復雜,模擬計算工作量大，對產品進行了簡化處理，只保留了殼體和蓋板零件，其他部位替換為支撐臺。焊接溫度場計算結果如圖5所示，分析發現，蓋板下表面的溫度超過了1100,而純Cu的熔點為1083因此純Cu釬料發生了熔化。
對不銹鋼管式冷油器蓋板與殼體進行焊接應力場模擬，方向的焊接殘余應力模擬結果如圖6所示。從模擬結果可知,/方向和y方向大殘余拉應力都出現在焊縫附近，即焊縫附近的殼體和蓋板的上半部分。蓋板下表面的殘余應力值較小，低于200MPa。從失效件的金相分析可知，焊接殘余應力大處的殼體并沒有發生開裂。而從不銹鋼蓋板下表面的應力分布可知,下表面應力值很小卻發生了開裂。因此，可以確定焊接因素不是不銹鋼管式冷油器開裂的唯一原因，結合失效件的金相分析結果，可以確定晶間滲入是焊接開裂的另一重要原因。TIG焊產生的高溫、拉應力與Cu釬料的晶間滲入共同作用下,導致蓋板開裂失效。
2解決措施
對失效件進行金相分析，以及采用焊接模擬方法進行溫度場和應力場模擬，都表明焊縫與釬縫距離過小,TIG焊的熱作用導致釬料熔化,TIG焊產生的殘余應力加劇釬料的晶間滲入。因此增加了蓋板和殼體板厚。蓋板由目前的2mm增加至3mm,殼體板厚由目前的1.5mm增加至2mm。蓋板板厚的增加，直接增加了TIG焊縫與釬縫的距離，殼體板厚的增加,增加了焊接區域的散熱能力，減小焊接熱影響區，進一步降低了焊縫時蓋板下表面的溫度。
圖7a為不銹鋼管式冷油器設計改進后的蓋板與殼體焊接接頭截面宏觀金相。與圖3對比可知,經過設計改進后，焊縫距離釬縫的距離明顯增加,焊接熱影響區沒有出現開裂現象,焊接熱影響區與釬縫沒有重合。圖7b為圖7a中紅色方框釬縫區域的局部放大,釬縫微觀組織正常,未發現明顯的Cu晶間滲入及開裂現象。
1)不銹鋼管式冷油器岀現泄漏失效是由于管式冷油器蓋板TIG焊縫附近的內、外表面存在大量裂紋并貫穿連通而導致的。
2)裂紋產生的直接原因是蓋板與殼體的TIG焊接過程中發生了晶界開裂，但根本原因是管式冷油器結構設計不當，即TIG焊縫與Cu釬縫距離過小。
3)管式冷油器蓋板、芯片發生晶界開裂的機理是:由于焊縫與釬縫距離過小,蓋板與殼體之間TIG焊接時產生的熱量使得蓋板、芯片之間的Cu釬縫熔化，熔化的釬料在蓋板中產生嚴重的晶間滲入現象，導致晶界強度降低，焊接冷卻收縮時發生開裂。
采用增加蓋板和殼體板厚的結構設計改進措施,不僅增大了焊縫與釬縫的距離，還增加了焊接區域的散熱能力，可有效地避免蓋板焊接開裂問題。