壓力容器法蘭外表面開裂失效分析

楊虎誠

（鄂爾多斯特種設(shè)備檢驗所，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

1 問題

某化工廠化工裝置過濾器（F3305）的上下筒體法蘭外表面均出現(xiàn)裂紋，該設(shè)備由中石化工程建設(shè)公司設(shè)計，于2002年12月12日制造，2004年1月安裝投運。設(shè)備材料為1Cr18Ni9，使用年限為13 a。設(shè)備工況：使用壓力為4.9 MPa，使用溫度為90℃，介質(zhì)為丙烯。

2 滲透檢測

滲透檢測發(fā)現(xiàn)筒體法蘭一側(cè)外表面有3類裂紋，見圖1。A類離焊縫15 mm，為橫向網(wǎng)狀裂紋；B類為縱向裂紋，分布在離焊縫15 mm處；C類為橫向裂紋，分布在離焊縫＞30 mm處。法蘭內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋均位于法蘭頸部，裂紋基本與表面垂直，裂紋毗鄰部位金屬均發(fā)生明顯塑性變形。

3 檢驗

檢驗取樣位置見圖2。1#位置取化學(xué)成分分析試樣；2#位置取沖擊試樣；3#，4#位置取A處裂紋試樣，觀察縱截面；5#位置取B處裂紋試樣，觀察橫截面；6#位置取C處裂紋試樣，觀察縱截面。

3.1 材料檢驗

圖1 滲透檢測結(jié)果

圖2 取樣位置

法蘭材料為304。用ARL4460型直讀光譜儀進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。對比表1中3組值，法蘭材料與供貨值各元素均符合JB 4728—2000《不銹鋼鍛件》中各元素的要求。

表1 化學(xué)成分分析值及原始供貨值

3.2 硬度檢驗

對A，B，C處進行顯微維氏硬度檢驗，每個試樣均由外表面至內(nèi)表面，從距外表面1 mm處開始，間隔為2 mm，檢測數(shù)據(jù)見表2。檢驗結(jié)果顯示，外表面硬度值均高于心部和內(nèi)表面。其中在A處1#硬度為193 HB，布氏硬度超過JB 4728—2000《不銹鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中對304材料硬度應(yīng)在（139～187）HB的要求。硬度越高，斷裂韌性越差，裂紋越容易產(chǎn)生并擴展。同時在B處發(fā)現(xiàn)一處大塊夾雜物的硬度值為221 HB。該夾雜物硬度明顯高于奧氏體基體，容易在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。

表2 各區(qū)域硬度值HB

3.3 力學(xué)性能檢驗

環(huán)境溫度23℃，沖擊功KV2為226 J。

3.4 金相檢驗

對A處裂紋進行金相檢驗，從圖3可見，大量黑色點狀夾雜物分布在奧氏體晶粒內(nèi)和晶界上；裂紋從外表面向內(nèi)沿晶界擴展，未貫穿基體；奧氏體晶粒粗細(xì)不均勻，局部晶粒非常粗大，晶粒度最大超過1級；未發(fā)現(xiàn)裂紋起裂點。

圖3 A處金相（王水浸蝕）

對B處裂紋進行金相檢測，從圖4可見，大量黑色點狀夾雜物分布在奧氏體晶粒內(nèi)和晶界上，另有大的塊狀夾雜物；裂紋從外表面向內(nèi)沿晶界擴展，未貫穿基體；奧氏體晶粒粗細(xì)不均勻，心部晶粒非常粗大，晶粒度超過1級。

圖4 B處金相（王水浸蝕）

對C處裂紋進行金相檢測，見圖5。基體為奧氏體，大量黑色點狀夾雜物分布在晶粒內(nèi)和晶界上，另有大的塊狀夾雜物；裂紋從外表面向內(nèi)沿晶界擴展，未貫穿基體；奧氏體晶粒粗細(xì)不均勻，心部晶粒非常粗大，晶粒度超過1級，最大的晶粒（1.2×0.8）mm。

圖5 C處金相（王水浸蝕）

檢測結(jié)果：奧氏體晶粒大小不均勻，心部晶粒粗大，這是由于在法蘭制造過程中溫度過高，散熱不均，造成表面冷卻速度快，心部冷卻速度慢，導(dǎo)致心部長期停留在較高溫度，致使晶粒異常長大。

奧氏體不銹鋼的一種較為常見的劣化現(xiàn)象為敏化現(xiàn)象，奧氏體不銹鋼敏化是由表面沿晶界深入到內(nèi)部，使材料的強度急劇下降，而表面卻仍然光亮完好。敏化的溫度（450～850）℃，該溫度區(qū)間為產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)，其中650℃最為危險。

該法蘭出現(xiàn)明顯的晶粒粗大同時出現(xiàn)大量黑色點狀夾雜物，應(yīng)是制造過程中，在敏化溫度區(qū)間停留過長，造成晶粒長大并大量 Fe，Cr，Ni的碳化物析出。

3.5 掃描電鏡、能譜分析

掃描電鏡檢驗結(jié)果見圖6，B處夾雜物附近也發(fā)現(xiàn)裂紋，并且沿晶界開裂，說明硬度較高的夾雜物也是裂紋產(chǎn)生的原因。對此夾雜物進行能譜分析，可能為鍛造時帶入的硅酸鹽類夾雜物，成分見表3。對黑色點狀物進行能譜檢驗，結(jié)果一部分為Fe，Cr，Ni的碳化物，成分見表4；一部分為鍛造時帶入的非金屬夾雜物，主要為氧化物，成分見表5。

圖6 B處夾雜物經(jīng)掃描電鏡視圖

對裂紋處進行線掃，結(jié)果見圖7。對未開裂的晶界處進行線掃，結(jié)果見圖8。線掃結(jié)果顯示，晶界處Cr，Ni含量均低于晶粒內(nèi)部，說明晶界處貧Cr，貧Ni，材料已經(jīng)敏化。

4 分析

（1）裂紋成因分析。由于法蘭在制造過程中帶入的高硬度硅酸鹽類夾雜物，在鍛造過程中該類體積型夾雜物經(jīng)反復(fù)鍛制變成細(xì)小夾雜物，受到母材金屬與高硬度夾雜物之間不同收縮系數(shù)的影響，使材料內(nèi)部產(chǎn)生了沿夾雜物尖端的鍛制裂紋。這些裂紋在制造過程中應(yīng)是埋藏裂紋。鍛坯經(jīng)過機加工后，埋藏裂紋有的變成了表面裂紋，這也是在A，C兩處金相圖中未發(fā)現(xiàn)裂紋起裂點的原因。

（2）裂紋擴展分析。該法蘭制造過程中受溫高，散熱不均，導(dǎo)致心部在敏化溫度區(qū)間停留過長致使晶粒異常長大，心部晶粒特別粗大，組織不均勻，材料出現(xiàn)敏化現(xiàn)象。同時由于法蘭材料中含夾渣物較多，造成材料的晶粒邊界聚集較多的低熔點物質(zhì)，局部晶界產(chǎn)生某些合金元素的富集而達(dá)到共晶成分，使局部組織的熔點下降，造成局部晶界弱化。碳化物和制造時帶入的氧化物等夾雜物在晶界上分布，進一步減弱了晶界。因此，該法蘭的裂紋擴展是在使用過程中受到法蘭內(nèi)應(yīng)力與外加載荷時，沿著晶界擴展。

表3 B處夾雜物成分

表5 黑色點狀夾雜物成分（2）

圖7 裂紋處能譜

圖8 開裂晶界處能譜