法蘭不銹鋼墊片開裂的失效分析

謝龍根

（上海市松江區特種設備監督檢驗所）

法蘭不銹鋼墊片開裂的失效分析

謝龍根*

（上海市松江區特種設備監督檢驗所）

通過化學成分分析、金相檢查和斷口分析等手段，對一法蘭不銹鋼墊片的開裂進行了失效分析。實驗測試和數據分析表明，該墊片開裂的主要原因為氯離子引起的應力腐蝕開裂。

墊片 不銹鋼 氯離子 應力腐蝕 金相檢查 裂紋 法蘭

0 背景介紹

某裝置裂解氣壓縮機出口法蘭墊片在正常運行過程中發生斷裂，運行期間罐內介質為空氣，最大壓力為2.0 MPa，常溫運行，開裂墊片材質為304不銹鋼。本文通過化學成分分析、金相檢查和斷口分析等手段，對該法蘭墊片的開裂原因進行分析，以期減少和預防同類失效現象的重復發生。

1 裂紋宏觀形貌

圖1所示為墊片裂紋的宏觀形貌。墊片出現多條裂紋，裂紋均沿螺栓處開裂，斷口絕大部分已經嚴重銹蝕，這說明裂紋已經出現較長時間，較新的斷口極少。螺栓處的材料已發生嚴重擠壓變形，還有碎塊掉出。斷口處壁厚沒有減薄，也沒有拉長現象，墊片沒有宏觀變形，這說明是脆性開裂。

2 材料化學成分和拉伸性能

為確認墊片的材料性能，對法蘭密封墊片的化學成分和拉伸性能進行了測試。表1是其化學成分分析結果，從分析結果可以看出，墊片材料完全符合304不銹鋼的材料標準要求。

拉伸試驗按GB 3076—1982《金屬薄板（帶）拉伸試驗方法》進行，取2個平行試樣試驗。表2是墊片材料的拉伸性能，材料的強度和韌性均符合304奧氏體不銹鋼標準。圖2是拉伸斷口宏觀形貌，斷口有明顯的頸縮現象，為韌性斷裂。

3 材料金相

圖3是法蘭密封墊片材料的金相組織，圖3（a）是密封面材料表面金相，材料是奧氏體組織，晶粒大小正常；圖3（b）是剖面金相組織，墊片軋制過程有些加工硬化條紋，總體來看其金相組織是正常的。

圖1 墊片裂紋宏觀形貌

表1 墊片材料成分分析結果（%）

表2 墊片材料的拉伸性能

圖2 墊片材料拉伸后的斷口宏觀形貌

4 裂紋金相分析

圖3 墊片金相圖

為檢查裂紋的開裂微觀情況，對樣品進行線切割，取裂紋尖端部分進行金相分析，另一部分進行斷口掃描電鏡分析。

觀察裂紋尖端金相是指在裂紋尖端（即斷裂件尚未完全斷開）處沿斷裂表面的垂直方向拋光，在顯微鏡下觀察裂紋尖端情況。圖4（a）是法蘭墊片材料表面拋光后未侵蝕前的裂紋顯微形貌，裂紋平直，沒有或少有分叉，裂尖比較尖銳；圖4（b）是侵蝕后的裂紋尖端形貌，裂紋呈穿晶擴展；圖4（c）是剖面裂紋尖端金相形貌，裂紋呈尖銳狀，且穿晶擴展。

圖4 裂紋金相圖

5 斷口分析

微觀分析主要是利用掃描電子顯微鏡觀察斷口表面形貌，幫助判別斷裂機理。不同的開裂機理呈不同的斷口形貌，因此從斷口形貌可判別斷裂的性質，推斷裂紋擴展的原因和過程。圖5是斷裂較早的斷口，表面有大量腐蝕產物，局部類似相互擠壓磨損的痕跡。由圖5可見，該斷口具有以下特征：（1）表面具有河流狀的解理斷裂特征；（2）疲勞斷裂斷口表面宏觀上具有平行的貝殼線，局部在電鏡中放大后可觀察到疲勞輝紋，這是奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂所具備的特征[1-2]。

圖5 裂紋斷口掃描電鏡形貌

圖6是對應的表面腐蝕產物能譜分析結果，能譜顯示腐蝕產物有氯離子，即疲勞斷裂斷口表面上分布了大量氯離子腐蝕產物。

圖6 表面腐蝕產物能譜分析結果

圖7是靠近裂紋尖端的斷口，這部分斷口腐蝕較輕。在低倍放大下可以看出，裂紋是從上下兩個表面向壁厚中部擴展的，垂直方向有解理斷裂特征，這是明顯的氯離子導致的應力腐蝕特征，見圖7（a）、（b）。另外，在上下兩側還有弧形條紋，這是疲勞特征，在1 000倍放大下可清晰顯示疲勞輝紋特征，見圖 7（c）、（d）。

6 分析和結論

圖7 腐蝕輕微處斷口掃描電鏡形貌

根據以上分析結果，墊片材料為奧氏體不銹鋼，材料性能正常。裂紋為脆性斷裂，是由環境導致的。根據斷口形貌和表面腐蝕產物能譜分析結果顯示，裂紋是氯離子導致的應力腐蝕開裂。

奧氏體不銹鋼對氯離子的應力腐蝕非常敏感，腐蝕產物中有氯離子，滿足奧氏體不銹鋼應力腐蝕的介質條件。斷口上的解理斷裂符合奧氏體不銹鋼氯離子應力腐蝕開裂的特征。解理裂紋擴展過程中，斷口的電子金相應是一個理想的平坦晶面。但實際晶面并非理想的完整晶面，總是存在缺陷的，如位錯、沉淀相等，所以實際上并不是沿著一個晶面解理，而是沿著一族相互平行的位于不同高度的晶面解理。裂紋擴展過程中，在不同高度的平行解理面之間的臺階相互匯合，便形成河流花樣，河流花樣與裂紋擴展方向相同。斷口上還觀察到與河流花樣垂直的條紋，這些條紋具有疲勞裂紋的特征。疲勞輝紋是裂紋擴展的瞬時前沿，條紋推移方向（垂直于條紋）即為裂紋擴展方向。可見疲勞裂紋擴展方向與應力腐蝕裂紋擴展方向相同。應力腐蝕是開裂的主要原因，疲勞加劇了應力腐蝕裂紋的擴展。

[1]黃毓暉，軒福貞，涂善東.304奧氏體不銹鋼在酸性氯離子溶液中應力腐蝕性能的研究[J].壓力容器，2009，26（7）： 5-10.

[2]王瑞巖.奧氏體不銹鋼在氯離子溶液中的應力腐蝕開裂研究 [D].濟南：山東大學，2016.

Cracking Failure Analysis of Stainless Steel Gaskets for Flanges

Xie Longgen

The cracking of a flange stainless steel gasket was analyzed by means of chemical composition analysis,metallographic examination and fracture analysis.The results of the test and data analysis showed that the main reason of the cracking was the stress corrosion cracking caused by chloride ion.

Gasket;Stainless steel;Chloride ion;Stress corrosion;Metallographic examination;Crackle;Flange

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.012

*謝龍根，男，1963年生，工程師。上海市，201613。

2017-06-01）