朱結(jié)成

中國石化寧波工程公司，浙江寧波315103

不銹鋼法蘭開裂問題分析

朱結(jié)成

中國石化寧波工程公司，浙江寧波315103

法蘭開裂失效不僅導(dǎo)致機械設(shè)備不能正常運行，還將危及工業(yè)生產(chǎn)和生命財產(chǎn)的安全，因而分析法蘭開裂的原因具有重要的意義。某工程項目在建設(shè)過程中出現(xiàn)了法蘭批次開裂失效。經(jīng)排查，此批失效法蘭屬于相同規(guī)格，卻不同爐批號。通過采用化學(xué)成份分析、表面探傷、斷口觀察、鐵素體檢測、金相分析和晶間腐蝕試驗等多種方法進行排查和分析，可以得出：法蘭開裂失效的主要原因是由制造過程中模具的選擇和制造工藝不當造成的，并提出了相應(yīng)的防范措施。

開裂失效；金相；鐵素體；奧氏體

美國杜邦公司的一份調(diào)研報告顯示，超過55.2%的不銹鋼失效是由腐蝕引起的，而局部腐蝕占了腐蝕失效的一半以上，這包括點蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等[1]。事實上，許多失效事故是可以通過合理選擇材料和加工工藝來避免的。合金元素（特別是鉬或硅元素）含量高的奧氏體不銹鋼鍛造工藝較為復(fù)雜，因其熱導(dǎo)率低，膨脹系數(shù)大，加工硬化效應(yīng)明顯，鍛造時形變阻力很大，鍛造加熱時需緩慢進行。若對法蘭的鍛造比及終鍛溫度不能進行有效控制，將會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力大和鐵素體含量增加等問題，從而產(chǎn)生裂紋等缺陷[2]。本文描述的缺陷是由制造過程中遺留下來的非多發(fā)性缺陷，往往帶有更多的偶然性。

1 開裂失效概況

某石化廠在建設(shè)過程中新采購一批法蘭，在焊接施工過程中，焊工發(fā)現(xiàn)有一個法蘭內(nèi)側(cè)有裂紋，焊道打磨后也發(fā)現(xiàn)了裂紋，經(jīng)滲透檢測，部分為貫穿性裂紋，檢查質(zhì)保文件，其爐批號和現(xiàn)場實物一致。根據(jù)此爐批號進行排查，發(fā)現(xiàn)同一爐批號共計46件，規(guī)格為DN150、300LB、CLASS A級，設(shè)計材質(zhì)為022Cr19Ni10，屬于奧氏體不銹鋼。

2 法蘭開裂失效的原因分析

本批次法蘭的缺陷全部出現(xiàn)在法蘭端部附近，且部分法蘭已經(jīng)焊接安裝完成。因法蘭開裂失效危害很大，為此對其開裂失效的原因進行分析。

2.1 化學(xué)成分分析

化學(xué)成份分析主要檢驗法蘭材料的主要化學(xué)成份含量是否滿足標準要求。分別在此批次法蘭取樣進行化學(xué)成份分析。表1列出了開裂失效法蘭的化學(xué)成份和不銹鋼標準（JB 4728）化學(xué)成分，對照可確認該批法蘭的化學(xué)成分符合022Cr19Ni10不銹鋼的要求，未見異常。

2.2 表面探傷和宏觀檢查

從管道上割下法蘭，通過PT檢測，可以清楚地看到內(nèi)壁的裂紋，焊道打磨后也發(fā)現(xiàn)了裂紋。圖1為法蘭內(nèi)側(cè)的裂紋，圖2為法蘭外側(cè)焊道打磨后的裂紋。裂紋均靠近與管道連接的端面。

表1 化學(xué)成分分析（022Cr19Ni10）

圖1 法蘭內(nèi)側(cè)裂紋

圖2 法蘭外側(cè)裂紋

在法蘭外部可觀察到的裂紋附近，將法蘭沿壁厚方向剖開，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有縱向的層狀裂紋，該處裂紋也十分靠近法蘭端面，如圖3和圖4所示，其他部位未見裂紋缺陷。

圖3 縱向?qū)訝盍鸭y

圖4 縱向?qū)訝盍鸭y

2.3 法蘭的斷口分析

通過宏觀上用肉眼或者低倍放大鏡觀察斷口樣本的形貌特征，再通過對關(guān)鍵部位的細微觀察，初步確定出法蘭開裂的性質(zhì)以及產(chǎn)生開裂的位置與裂紋擴散的方向；其次利用金相顯微鏡將樣本的斷口進行高倍放大觀察，重點是觀察裂紋部位，對宏觀觀察的開裂信息進行核實驗證，從而更加精確地分析法蘭開裂的裂源位置、走向以及裂紋擴散速度等[3]。沿著圖1所示的法蘭內(nèi)側(cè)裂紋將其掰開，得到一塊試樣的斷口，如圖5所示。從形貌上看，已明顯發(fā)生氧化。圖6為斷口的能譜分析圖，可以看出氧含量很高，說明斷口上覆蓋有氧化物。

圖5 斷口樣本

2.4 鐵素體檢測

在法蘭的切面處用鐵磁法進行鐵素體含量檢測，從焊接接頭的坡口處到密封面處其含量呈梯度分布，如圖7所示。說明由于鍛打模具尺寸和終鍛溫度偏低的原因，造成坡口處硬化相對嚴重導(dǎo)致奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變。

圖6 斷口能譜分析圖

圖7 鐵素體含量分布/%

2.5 金相分析

通過低倍放大鏡的宏觀分析來判斷法蘭材料內(nèi)是否含有氣泡、疏松、白點或者縮孔等缺陷，再通過高倍放大鏡的微觀分析，就可以觀察到這些異金屬微觀組織內(nèi)部的各種情況，從而為法蘭開裂失效的原因分析提供參考依據(jù)[4]。

將接管法蘭整體剖開，分別在不同的位置取樣（如圖8所示），標記為1#，2#，3#，4#。1#取在靠近接管的端部，其剖面上有縱向的分層裂紋，分別觀察縱向剖面和橫向剖面金相；2#取在法蘭中部，3#取在法蘭螺栓孔附近，分別觀察其縱向剖面金相；4#取在靠近接管的端面，對其進行固溶處理后觀察縱向剖面金相。

將1#試樣剖面磨成金相試樣，圖9為試樣低倍形貌，最寬處大約0.4 mm。

圖10為1#試樣在草酸溶液中侵蝕后的金相圖（×100），圖11為1#試樣在草酸溶液中侵蝕后的金相圖（×200）。

從放大100和200倍的金相圖上可以看到，奧氏體晶界上覆蓋著一些細條狀鐵素體，1#試樣的鐵素體較為細長，裂紋沿著細長的鐵素體開裂和延伸。

圖8 法蘭取樣剖面

圖9 低倍形貌

圖10 1#×100

圖11 1#×200

將1#試樣中與剖面相垂直的橫截面制成金相試樣分別進行侵蝕前、后的金相觀察。圖12的金相圖顯示，材料內(nèi)部有少許夾雜物。斷口氧化層能譜分析表明：Si含量較多，應(yīng)屬于C類1級夾雜物和D類1級夾雜物（根據(jù)GB/T 10561-2005），對法蘭開裂沒有影響。侵蝕后的金相觀察表明：鐵素體仍然是細長形狀，分布在奧氏體之間，沒有觀察到裂紋。

圖12 侵蝕后的1#試樣橫截面

根據(jù)上述觀察和分析，裂紋起源于條狀鐵素體和奧氏體晶界間，但這種裂紋很細小，是微觀上才能觀察到的程度，但法蘭端部的裂紋寬度有0.4 mm，這個已經(jīng)是宏觀裂紋。

2#試樣和3#試樣的金相分析顯示：試樣存在部分夾雜物，但未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，分布在奧氏體之間的鐵素體呈條狀，且細長短小，表明這部分鍛造充分。

4#試樣的取樣部位與1#試樣的高度相近，將其在1 050℃下保溫1 h，然后用水冷進行固溶處理。金相觀察發(fā)現(xiàn)，4#試樣中的鐵素體的長短、大小與1#試樣的十分類似，可以初步判斷該法蘭在加工時已經(jīng)進行了固溶處理。

2.6 晶間腐蝕試驗

在法蘭靠近螺栓孔的端面底部取樣，進行不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗，其主要目的是對法蘭材質(zhì)在硫酸-硫酸銅溶液中的晶間腐蝕傾向進行金相判斷。試驗方法依據(jù)GB/T 4334.5-2000《不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法》規(guī)定的試驗方法進行，保持微沸16 h，試驗結(jié)果用彎曲方法金相評定。圖13是晶間腐蝕實驗后彎曲試樣，從此試樣上觀察，沒有看到裂紋出現(xiàn)，結(jié)合前述4#試樣做過的固溶處理，更有力地證明了法蘭在出廠之前是進行過固溶處理的，所以端面的裂紋并不是由腐蝕引起的。

圖13 晶間腐蝕實驗后彎曲表面情況

3 綜合分析

根據(jù)現(xiàn)場裂紋的形態(tài)和金相分析，對此開裂缺陷進行綜合分析?？拷ㄌm端面處有宏觀裂紋，這些裂紋應(yīng)該是在鍛造制造過程中的折疊缺陷形成的。另外從金相上也發(fā)現(xiàn)鐵素體相和奧氏體相的晶界間，沿著鐵素體有微觀的裂紋，這些微觀裂紋和條狀鐵素體、立面奧氏體的性質(zhì)以及法蘭的鍛造工藝有關(guān)聯(lián)。

（1）鐵素體和奧氏體在熱加工時的動態(tài)軟化機制不同。在相同的高溫條件下鐵素體以恢復(fù)為主，奧氏體以再結(jié)晶為主。另一方面，高溫下鐵素體的強度也比奧氏體低很多，熱加工時二者的再結(jié)晶速度也不同，這些差異導(dǎo)致了材料在熱加工變形時，兩相之間互相牽制，相界面會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在鍛造過程中，在法蘭端的溫度更低，從而在拉應(yīng)力作用下于條狀鐵素體晶界上產(chǎn)生了裂紋。隨著溫度的降低與應(yīng)變速率的增高，材料的強度升高，塑性降低，尤其是體心立方金屬對溫度和應(yīng)變速率特別敏感。法蘭在加工時，每結(jié)束一道工序，都會有一個降溫過程，再進行下一道工序前又重新升溫。在降溫過程中，因二者的動態(tài)軟化作用受到更多的抑制，進而導(dǎo)致裂紋形核。

（2）奧氏體不銹鋼沿晶間界面裂紋主要有三種可能。其一，晶界沉淀和晶間吸附造成的晶界脆化，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生硬拉裂紋；其二，相間的晶間腐蝕；其三，應(yīng)力腐蝕。后兩種都需要達到敏化溫度條件，并且需要時間。此批次裂紋失效法蘭處在工程建設(shè)階段，尚未投入生產(chǎn)，因此產(chǎn)生的裂紋原因更有可能是第一種情況。從金相分析中也可看出，微觀裂紋的形狀有明顯主干，且沿鐵素體細線方向延伸，這也符合第一種原因的機理。

（3）根據(jù)法蘭的制造工藝，在沖孔完成后，有一個局部拔長鍛造的過程；從法蘭的結(jié)構(gòu)看，端面要比另一端薄很多，且與空氣的接觸面積大，因而冷卻速度快，此處產(chǎn)生的相間拉力最大，因此端面比另外一個端面更容易出現(xiàn)裂紋。而且由于較薄段的變形過大，終鍛溫度偏低，導(dǎo)致鐵素體含量增加，給裂紋的產(chǎn)生也創(chuàng)造了一定的條件。

（4）從裂紋斷口分析來看，整個裂紋的表面已嚴重氧化。按發(fā)貨時間推斷，此批法蘭在常溫環(huán)境下不會氧化至此程度，這說明裂紋在鍛造過程中已經(jīng)出現(xiàn)。法蘭焊接時，熱影響區(qū)的晶粒粗大，熱應(yīng)力也很大，會加劇附近裂紋的擴展，有可能形成貫穿性的裂紋。

4 結(jié)束語

通過前述對法蘭失效原因的分析，可以得出該批法蘭失效是由于鍛造時工藝不當造成折疊缺陷最終導(dǎo)致失效。因此建議在法蘭制造過程中，根據(jù)不同的法蘭規(guī)格和不同的制造工藝，選擇合理的模具使之留有適宜的加工裕量，同時，要控制終鍛溫度和成型次數(shù)，以保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

[1]A·約翰·塞德賴克斯.不銹鋼的腐蝕[M].吳劍，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

[2]徐尚平，趙洲城.奧氏體不銹鋼鍛造工藝分析與研究[J].汽車工藝與材料，1997（12）：7-9.

[3]王永勤.高溫高壓換熱器法蘭開裂失效研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2014.

[4]江堅，安源勝.換熱器殼側(cè)法蘭開裂失效分析[J].石油和化工設(shè)備，2006，9（5）：33-35.

Cracking analysis ofstainless steelflange

ZHU Jiecheng
Sinopec Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo 315103，China

Flange cracking failure not only leads to abnormal operation of mechanical equipment，but also threatens the safety of industrial production，property and life.So，analyzing the reasons of flange cracking is of great importance.In the construction process of a certain project，there are cracking failures found in a batch of flanges which belong to diferent furnace batch numbers but having the same specification.By using chemical composition analysis，dye penetrant flaw testing，fracture observation，ferrite content test，metallographic analysis and intergranular corrosion test，etc.，it is concluded that the main reasons of the flange cracking are improper mould selection and improper manufacturing process.And some corresponding preventive measures are also put forward in this paper.

cracking failure；metallographic phase；ferrite；austenite

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.013

朱結(jié)成（1976-），男，浙江金華人，工程師，1998年畢業(yè)于西安交通大學(xué)化工設(shè)備與機械專業(yè)，長期在石油、石化行業(yè)從事工程項目施工安裝和管理工作。Email：zhujch.snec@sinopec.com

2016-12-07；

2017-01-07