不锈钢法兰型号正确书写（S30408不锈钢法兰开裂原因）
不锈钢法兰型号正确书写（S30408不锈钢法兰开裂原因）依据 GB/T11170—2008《不锈钢 多元素含量 的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》 在法 兰端面取样 用直读光谱仪对其进行化学成分分析 结果如表1所示。由表1可知:法兰材料的碳元素 含量超 标 其 余 元 素 含 量 均 满 足 NB/T 47010— 2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》对 S30408 不锈钢的要求。1.2 化学成分分析1 理化检验1.1 宏观观察开裂法兰宏观形貌如图1所示 裂纹位于法兰 颈部 靠近对接焊缝 呈阶梯状环向开裂 局部已贯 穿 开裂部位宏观形貌如图2所示。将贯穿裂纹沿 法兰轴向剖开 观察裂纹面 发现断口平齐 呈亮灰 色结晶状 无明显宏观塑性变形 表面覆有红棕色腐蚀产物 局部可见多裂纹相交形成的台阶 断口宏观 形貌如图3所示。
摘 要:某装置S30408不锈钢法兰服役时发生开裂泄漏 采用宏观观察、化学成分分析、硬度测 试、金相检验和扫描电镜分析等方法分析其开裂原因。结果表明:法兰材料的碳元素含量超标 大 量碳化物沿晶界析出 显微组织呈敏化态;S30408不锈钢法兰与管道对焊时 其颈部受热 导致敏化 加剧 晶界脆化;法兰颈部形状突变 颈部成为应力集中区 在焊接残余应力和工作压力的作用下 颈 部逐渐萌生沿晶微裂纹 随着时间的推移 微裂纹扩展并汇聚形成宏观裂纹 导致法兰贯穿开裂。
关键词:S30408不锈钢;法兰;敏化;沿晶开裂
中图分类号:TG115.5 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)08-0046-04
S30408不锈钢是一种铬-镍不锈钢 具有良好 的耐蚀性、耐热性、低温强度、力学性能、加工性能和 可焊性等优点 广泛应用于石油化工、能源、医疗、食 品、轻工等领域 可用于制造工业输送管道、生产设 备以及机械结构部件等[1-2]。某公司环氧乙烷装置 管线法兰服役不足3a就发生开裂泄漏 该管线工 作压力为3.8 MPa 工作温度为-10~10 ℃ 工作 介质为环氧乙烷 法兰材料为 S30408不锈钢锻件 属于带颈对焊法兰 规格为 WN65(B)-100M 执行 标准 为 HG/T20592—2009 《钢 制 管 法 兰 (PN 系 列)》。为查明该法兰开裂原因 笔者采用宏观观察、 化学成分分析、硬度测试、金相检验和扫描电镜分析 等方法对其进行了分析。
1 理化检验
1.1 宏观观察
开裂法兰宏观形貌如图1所示 裂纹位于法兰 颈部 靠近对接焊缝 呈阶梯状环向开裂 局部已贯 穿 开裂部位宏观形貌如图2所示。将贯穿裂纹沿 法兰轴向剖开 观察裂纹面 发现断口平齐 呈亮灰 色结晶状 无明显宏观塑性变形 表面覆有红棕色腐蚀产物 局部可见多裂纹相交形成的台阶 断口宏观 形貌如图3所示。
1.2 化学成分分析
依据 GB/T11170—2008《不锈钢 多元素含量 的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》 在法 兰端面取样 用直读光谱仪对其进行化学成分分析 结果如表1所示。由表1可知:法兰材料的碳元素 含量超 标 其 余 元 素 含 量 均 满 足 NB/T 47010— 2010《承压设备用不锈钢和耐热钢锻件》对 S30408 不锈钢的要求。
1.3 硬度测试
依据 GB/T231.1—2018 《金属材料 布氏硬度试验 第1部分:试验方法》 在法兰颈部和端面取样 并进行布氏硬度测试 结果如表2所示。由表2可 知:法兰颈部硬度的平均值为227 HBW 端面硬度 的平均值为208 HBW 均高于 NB/T47010—2010 对S30408不锈钢的要求。
1.4 金相检验
依据 GB/T13298—2015《金属显微组织检验方 法》 分别在法兰颈部和端面取样并进行金相检验 结 果如图4所示 法兰显微组织为孪晶奥氏体 析出 相 析出相呈颗粒状沿晶分布 具有敏化特征[3]。对 比颈部与端面组织可知 颈部组织析出相较多 沿奥 氏体晶界网状分布 说明颈部敏化程度要明显高于端 面。颈部裂纹微观形貌如图5所示 由图5可知:颈 部裂纹主要为沿晶型 内外壁裂纹呈锯齿状沿壁厚方 向扩展 与中壁裂纹交汇连接 直至贯穿。
1.5 扫描电镜和能谱分析
在扫描电镜(SEM)下观察法兰开裂部位 在主 裂纹附近可见大量微裂纹 微裂纹沿晶扩展 有长大 倾向 裂纹内部未见腐蚀产物 微裂纹的 SEM 形貌 如图6 所 示。进 一 步 观 察 法 兰 颈 部 的 显 微 组 织 网状析出相清晰可见(见图7)。利用能谱仪对析出相进行元素分析 结果显示:析出相中碳元素的质量 分数为7.5% 铬元素的质量分数为22.3% 高于材 料基体铬元素的质量分数 说明析出相属于富铬碳 化物相 应为 M23C6 型碳化物[4]。
在SEM 下观察断口的微观形貌 结果如图 8 所示 断口呈现不同程度的岩石状花样 为典型的沿 晶断口 进一步放大后可见沿晶二次裂纹和颗粒状 腐蚀产物。对断口表面腐蚀产物进行能谱分析 结 果如表3所示 由表3可知:断口表面腐蚀产物以铁 的氧化物为主 未发现氯和硫等腐蚀性元素。
2 综合分析
NB/T47010—2010 规 定 S30408 不 锈 钢 中 碳 元素的质量分数不高于0.08% 经化学成分分析可 知:开裂法兰材料的碳元素质量分数为0.12% 远 高 于 标 准 值 。不 锈 钢 的 含 碳 量 越 高 越 容 易 发 生敏化。对碳元素的质量分数超过 0.03% 的奥氏体 不锈钢(不含钛或铌的奥氏体不锈钢)进行 450~ 850 ℃加热 或者缓慢冷却到该温度时 就会发生敏 化 造成奥氏体中过饱和的碳元素向晶界扩散并与 晶界附近的铬元素结合 形成(CrFe)23C6 型碳化物 相在晶界沉淀[4]。由不同含碳量的奥氏体不锈钢敏 化 TTS曲线(不锈钢热处理温度、时间与其晶间腐 蚀敏感性之间的关系曲线)可知:当奥氏体不锈钢碳 元素质量分数为0.03%时 在600 ℃下需经8h才 能发 生 敏 化;当 碳 元 素 质 量 分 数 为 0.07% 时 在 700 ℃下仅需4.5min即可发生敏化[5]。
由于法兰工作温度为-10~10 ℃ 这个温度远 低于敏化温度 说明法兰材料在制造过程中已经发生 敏化 并非长期服役所致。通过显微组织对比发现 颈部显微组织敏化程度高于端面 说明法兰在与管道 对焊时 其颈部受热 在敏感温度区停留时间过长 导 致敏化程度加剧 沿晶碳化物增多 逐步呈网状分布。
由断口分析可知 法兰颈部发生沿晶断裂。研 究表明 奥氏体不锈钢敏化后 晶界析出的 M23C6 碳化物能够降低界面的结合强度 从而引起材料冲 击吸收能量和塑性的降低 受外力后容易产生沿晶 裂纹 断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂[6-7]。另 有文献指出 奥氏体不锈钢以沿晶形式断裂一般有 3种情况 即纯力学因素、晶间腐蚀或应力腐蚀[8]。 纯力学因素造成的沿晶断裂主要是由晶界沉淀和晶 界吸附造成的晶界脆化所致。能谱分析结果显示: 断口表面腐蚀产物以铁的氧化物为主 未见氯、硫等 腐蚀性元素 说明法兰贯穿开裂与晶间腐蚀和应力 腐蚀无关 应为力学因素造成的开裂。法兰正常服 役后 除承受焊接造成的残余应力外 主要承受较大 的工作压力(管道工作压力为3.8MPa)。由金相检 验结果可知:法兰属于多源开裂 内外壁均有裂纹 源 说明管道压力波动也是开裂的重要原因 因此由 焊接造成的残余应力和管道工作压力是引起法兰开 裂的力学原因。
3 结论与建议
(1)法 兰 材 料 的 碳 元 素 含 量 超 标 不 符 合 NB/T47010—2010对 S30408 不 锈 钢 的 要 求。其显微组织为孪晶奥氏体 大量碳化物沿晶界析出 呈 敏化态。与管道对焊时 其颈部受热 导致敏化加 剧 晶界脆化。在焊接残余应力和工作压力的作用 下 颈部逐渐萌生沿晶微裂纹。随着时间的推移 微 裂纹扩展汇聚形成宏观裂纹 导致法兰贯穿开裂。
(2)建议增加法兰的抽检批次和数量 除标准规 定外 也可从显微组织、晶粒度、夹杂物等检验环节把 控产品质量 避免使用不合格法兰。后期焊接时 也 应控制敏化温度的停留时间 降低材料的敏化倾向。
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<文章来源 >材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 8期 (pp:46-49)>
