碱液法兰开裂失效原因分析

蒋洋松

（淮安清江石油化工有限责任公司，江苏淮安223002）

碱液法兰开裂失效原因分析

蒋洋松

（淮安清江石油化工有限责任公司，江苏淮安223002）

针对某生物化工装置碱液泵出口不锈钢法兰开裂失效试样，从宏观和无损检测、材料化学成分分析、断口扫描电镜分析、金相分析等进行分析。结果表明，金相组织内存在棉絮状铁的氧化物，严重损伤了材料的连续性，法兰材质中碳含量偏高，导致法兰整体硬度偏大、焊缝与法兰连接区域硬度分布不均匀进而引发受力不均，法兰在变径处未进行圆弧过度，当开停车期间法兰受到突变载荷时，该处受到的载荷进一步集中致使裂纹产生，由于该区域属焊接热影响区，残余应力会导致裂纹扩展，最终导致法兰开裂失效。

碱液法兰；裂纹；失效分析

某生物化工装置新建碱液泵出口管线在投用累计运行10 h后，法兰焊缝热影响区出现裂纹，裂纹位置平行于焊缝，共计发现三处。该法兰采用HG 20595-2009B标准的PN1.6 DN80的RF面0Cr18Ni9不锈钢材质带颈对焊法兰，与法兰焊接所用管线采用GB14976标准的0Cr18Ni9不锈钢材质Φ89×4流体不锈钢无缝钢管。该管线采用氩弧焊焊接，所用焊丝为ER308不锈钢焊丝。管内介质为32%离子膜烧碱，最高工作压力为1.0 MPa，正常工作压力为0.4～0.6 MPa，工作温度为常温。本文通过相应检测分析出法兰出现裂纹的真正原因。

1　宏观分析和无损检测

对其中一片法兰和管线取样分析，首先进行宏观观察，发现法兰表面存在裂纹，裂纹位于法兰变径处，且该处并无圆角过度，当法兰正常工作时，该处会产生严重的应力集中现象。法兰与接管连接方式采用对焊，裂纹距离焊缝中心5 mm，属焊接热影响区。对法兰进行PT渗透检测，对缺陷位置进行确认。检测结果显示：法兰颈端部只出现一条裂纹，环向长度约为60 mm，且焊缝区未发现表面缺陷如图1所示。

图1　断裂位置

2　材料化学成分分析

该法兰和接管的材质为0Cr18Ni9不锈钢用光谱仪进行成分检测，检测结果如表1所示。通过表1中数据对比发现：法兰的Cr含量16.987%，低于标准的最小要求值18%；法兰C含量0.12%大于标准值0.08%，Ni含量为7.92%，也低于标准值的最小值。Cr元素作为一种有益元素，其含量偏低，会降低钢的强度和硬度、钢的高温机械性能以及抗氧化性等；Ni元素同样作为一种有益元素，可提高不锈钢中的强度而不显著降低其韧性，提高不锈钢的低温韧性，改善不锈钢的加工性和可焊接性能，镍含量偏低会降低不锈钢的综合性能，增大焊接缺陷出现的可能性；C元素是合金钢中必不可少的元素，但随着材质中碳含量增加，焊缝的强度、硬度会有所增加，同时焊缝的结晶裂纹和焊接接头的冷裂纹倾向都会增大，而该法兰材质中C含量严重超标，其会严重影响法兰的焊接性能。综上所述，该法兰材质中C含量偏高、Cr和Ni含量偏低，初步判断该法兰化学成分不合格。1如表1所示。

表1　法兰和管子的化学成分及标准值对比（W t%）

3　断口扫描电镜分析

对断裂后的法兰颈部进行取样，之后对断口表面进行预处理。先用酒精涂抹断口表面，防止断口在空气中进一步氧化，破坏断口表面形貌。断口处理好后利用SEM扫描电镜对断口表面微观形貌进行观察，其结果如图2、图3所示。图2为断口整体宏观图，图3为利用SEM扫描电镜对图2中A和B两个区域观察的结果，其中图3（a）、（c）和（d）为A区域的扫描电镜图，图3（b）为B区域的扫描电镜图，图3（e）为图3（d）中杂质对应的EDS能谱结果。

图2　总体断口宏观形貌

通过对图3进行观察发现：图3（a）中明显看到裂纹扩展的走向，可得出裂纹源来自于试样的表面，由外向里开始扩展；图3（b）可明显观测到韧窝特征，为最终断裂的部位；图3（c）中虽然氧化物比较多，但还是能看到少量的河流花样特征，证明此断裂为解理断裂；图3（d）为图3（c）的局部放大图（位于裂纹源区附近），结合图3（e）结果，从中可见晶粒被铁的氧化物（棉絮状）所包裹，此种氧化物并非后期氧化形成，而是材料冶炼或者法兰成型过程所携带的。

图3　不同倍率下的断口的微观形貌和部分能谱结果

4　金相分析

金相试样的金相组织为奥氏体，存在少量铁素体和渗碳体沿晶界分布。从图4中可见，裂纹形式为沿晶断裂和穿晶断裂的混合形式，以沿晶断裂为主，这主要是渗碳体和铁素体沿着晶界分布，导致晶界区域较晶内更易于破坏，且裂纹周边存在少量孪晶，这说明此处存在较大的变形。

图4　裂纹处试样在不同倍率下的金相组织图

5　失效原因总结及建议

（1）在法兰材质方面，金相组织内存在棉絮状铁的氧化物，此种氧化物沿晶界分布，包裹着晶粒，严重损伤了材料的连续性；法兰材质中碳含量偏高，其会导致法兰整体硬度偏大、焊缝与法兰连接区域硬度分布不均匀进而引发的受力不均，这两者是此次开裂发生的源头。

（2）在法兰加工方面，该法兰于颈端部开裂，该处存在变径，当受到外载荷作用时会产生应力集中，而该法兰在变径处未进行圆弧过度，其会使该处受到的载荷进一步集中。

（3）在焊接方面，该法兰颈端部距离焊缝5 mm，属于焊接热影响区，会产生较大的残余应力。

（4）法兰结构上不合理和焊接产生的残余应力，为此次开裂的诱发原因，而晶界存在渗碳体和少量铁素体以及五次开停车期间法兰受到突变载荷则是促进裂纹扩展的促进因素，最终导致其发生开裂失效。

为此提出如下建议：

第一，严格控制法兰质量，到货时应进行化学成分、硬度指标的检验，必要时进行金相检测；

第二，更换同批次法兰材料，选取质量达标的产品；

第三，对法兰颈端变直径处进行圆角过度处理。

The Fracturefailure Analysis of Flange Lye

JIANG Yang-song
（Qingjiang Huaian Petrochemical Co.，Ltd.，Huaian Jiangsu 223002，China）

In a biological chemical plant lye pump export stainless steel flange cracking failure sample，from the macroscopic and nondestructive testing，material chemical composition analysis，sem fracture analysis，metallographic analysis and so on were analyzed.Results show that microstructure within batt form iron oxide，serious damage to the continuity of the material，high carbon content in the flange material，cause the flange overall hardness is larger，the welding and flange connection area causing uneven uneven distribution of hardness，changes in the flange diameter for arc not excessive，when open parking flange by mutation during loading，it is further concentrated load to cause crack，because this area belongs to the welding heat affected zone，residual stress can lead to crack propagation，and eventually lead to the flange cracking failure.

lye flange；crackle；failure analysis

TB4

A

1672-545X（2016）05-0135-02

2016-02-06

蒋洋松（1977-），男，江苏淮安人，本科，工程师，从事石油化工设备管理工作。