堿液法蘭開裂失效原因分析

蔣洋松

（淮安清江石油化工有限責任公司，江蘇淮安223002）

堿液法蘭開裂失效原因分析

蔣洋松

（淮安清江石油化工有限責任公司，江蘇淮安223002）

針對某生物化工裝置堿液泵出口不銹鋼法蘭開裂失效試樣，從宏觀和無損檢測、材料化學成分分析、斷口掃描電鏡分析、金相分析等進行分析。結果表明，金相組織內存在棉絮狀鐵的氧化物，嚴重損傷了材料的連續性，法蘭材質中碳含量偏高，導致法蘭整體硬度偏大、焊縫與法蘭連接區域硬度分布不均勻進而引發受力不均，法蘭在變徑處未進行圓弧過度，當開停車期間法蘭受到突變載荷時，該處受到的載荷進一步集中致使裂紋產生，由于該區域屬焊接熱影響區，殘余應力會導致裂紋擴展，最終導致法蘭開裂失效。

堿液法蘭；裂紋；失效分析

某生物化工裝置新建堿液泵出口管線在投用累計運行10 h后，法蘭焊縫熱影響區出現裂紋，裂紋位置平行于焊縫，共計發現三處。該法蘭采用HG 20595-2009B標準的PN1.6 DN80的RF面0Cr18Ni9不銹鋼材質帶頸對焊法蘭，與法蘭焊接所用管線采用GB14976標準的0Cr18Ni9不銹鋼材質Φ89×4流體不銹鋼無縫鋼管。該管線采用氬弧焊焊接，所用焊絲為ER308不銹鋼焊絲。管內介質為32%離子膜燒堿，最高工作壓力為1.0 MPa，正常工作壓力為0.4～0.6 MPa，工作溫度為常溫。本文通過相應檢測分析出法蘭出現裂紋的真正原因。

1　宏觀分析和無損檢測

對其中一片法蘭和管線取樣分析，首先進行宏觀觀察，發現法蘭表面存在裂紋，裂紋位于法蘭變徑處，且該處并無圓角過度，當法蘭正常工作時，該處會產生嚴重的應力集中現象。法蘭與接管連接方式采用對焊，裂紋距離焊縫中心5 mm，屬焊接熱影響區。對法蘭進行PT滲透檢測，對缺陷位置進行確認。檢測結果顯示：法蘭頸端部只出現一條裂紋，環向長度約為60 mm，且焊縫區未發現表面缺陷如圖1所示。

圖1　斷裂位置

2　材料化學成分分析

該法蘭和接管的材質為0Cr18Ni9不銹鋼用光譜儀進行成分檢測，檢測結果如表1所示。通過表1中數據對比發現：法蘭的Cr含量16.987%，低于標準的最小要求值18%；法蘭C含量0.12%大于標準值0.08%，Ni含量為7.92%，也低于標準值的最小值。Cr元素作為一種有益元素，其含量偏低，會降低鋼的強度和硬度、鋼的高溫機械性能以及抗氧化性等；Ni元素同樣作為一種有益元素，可提高不銹鋼中的強度而不顯著降低其韌性，提高不銹鋼的低溫韌性，改善不銹鋼的加工性和可焊接性能，鎳含量偏低會降低不銹鋼的綜合性能，增大焊接缺陷出現的可能性；C元素是合金鋼中必不可少的元素，但隨著材質中碳含量增加，焊縫的強度、硬度會有所增加，同時焊縫的結晶裂紋和焊接接頭的冷裂紋傾向都會增大，而該法蘭材質中C含量嚴重超標，其會嚴重影響法蘭的焊接性能。綜上所述，該法蘭材質中C含量偏高、Cr和Ni含量偏低，初步判斷該法蘭化學成分不合格。1如表1所示。

表1　法蘭和管子的化學成分及標準值對比（W t%）

3　斷口掃描電鏡分析

對斷裂后的法蘭頸部進行取樣，之后對斷口表面進行預處理。先用酒精涂抹斷口表面，防止斷口在空氣中進一步氧化，破壞斷口表面形貌。斷口處理好后利用SEM掃描電鏡對斷口表面微觀形貌進行觀察，其結果如圖2、圖3所示。圖2為斷口整體宏觀圖，圖3為利用SEM掃描電鏡對圖2中A和B兩個區域觀察的結果，其中圖3（a）、（c）和（d）為A區域的掃描電鏡圖，圖3（b）為B區域的掃描電鏡圖，圖3（e）為圖3（d）中雜質對應的EDS能譜結果。

圖2　總體斷口宏觀形貌

通過對圖3進行觀察發現：圖3（a）中明顯看到裂紋擴展的走向，可得出裂紋源來自于試樣的表面，由外向里開始擴展；圖3（b）可明顯觀測到韌窩特征，為最終斷裂的部位；圖3（c）中雖然氧化物比較多，但還是能看到少量的河流花樣特征，證明此斷裂為解理斷裂；圖3（d）為圖3（c）的局部放大圖（位于裂紋源區附近），結合圖3（e）結果，從中可見晶粒被鐵的氧化物（棉絮狀）所包裹，此種氧化物并非后期氧化形成，而是材料冶煉或者法蘭成型過程所攜帶的。

圖3　不同倍率下的斷口的微觀形貌和部分能譜結果

4　金相分析

金相試樣的金相組織為奧氏體，存在少量鐵素體和滲碳體沿晶界分布。從圖4中可見，裂紋形式為沿晶斷裂和穿晶斷裂的混合形式，以沿晶斷裂為主，這主要是滲碳體和鐵素體沿著晶界分布，導致晶界區域較晶內更易于破壞，且裂紋周邊存在少量孿晶，這說明此處存在較大的變形。

圖4　裂紋處試樣在不同倍率下的金相組織圖

5　失效原因總結及建議

（1）在法蘭材質方面，金相組織內存在棉絮狀鐵的氧化物，此種氧化物沿晶界分布，包裹著晶粒，嚴重損傷了材料的連續性；法蘭材質中碳含量偏高，其會導致法蘭整體硬度偏大、焊縫與法蘭連接區域硬度分布不均勻進而引發的受力不均，這兩者是此次開裂發生的源頭。

（2）在法蘭加工方面，該法蘭于頸端部開裂，該處存在變徑，當受到外載荷作用時會產生應力集中，而該法蘭在變徑處未進行圓弧過度，其會使該處受到的載荷進一步集中。

（3）在焊接方面，該法蘭頸端部距離焊縫5 mm，屬于焊接熱影響區，會產生較大的殘余應力。

（4）法蘭結構上不合理和焊接產生的殘余應力，為此次開裂的誘發原因，而晶界存在滲碳體和少量鐵素體以及五次開停車期間法蘭受到突變載荷則是促進裂紋擴展的促進因素，最終導致其發生開裂失效。

為此提出如下建議：

第一，嚴格控制法蘭質量，到貨時應進行化學成分、硬度指標的檢驗，必要時進行金相檢測；

第二，更換同批次法蘭材料，選取質量達標的產品；

第三，對法蘭頸端變直徑處進行圓角過度處理。

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

蔣洋松（1977-），男，江蘇淮安人，本科，工程師，從事石油化工設備管理工作。