16MnⅡ法蘭失效分析

惠生工程(中國)有限公司 上海 201210

1 概況

康乃爾化學(xué)工業(yè)股份有限公司60萬t/a MTO項(xiàng)目一期工程原料氣化與產(chǎn)品分離單元的氧化物汽提塔進(jìn)料-塔底出料換熱器E-1005C,在安裝過程中發(fā)現(xiàn)其筒體與側(cè)法蘭之間近焊縫處有長(zhǎng)度約為30～40cm的裂紋。此法蘭制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 29465,規(guī)格為DN1300mm-4.0MPa,材質(zhì)為16Mn,Ⅱ級(jí)鍛件,重量為940.8kg。法蘭裂紋位置見圖1。

圖1 法蘭裂紋位置

2 采取的措施

(1)核查該法蘭的質(zhì)量證明文件。結(jié)果:各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

(2)確認(rèn)該法蘭與筒體施焊的焊接工藝、焊材。結(jié)果:焊接工藝評(píng)定適用于該材質(zhì),焊材符合要求,焊接記錄滿足焊接工藝評(píng)定的要求。

(3)對(duì)裂紋法蘭進(jìn)行取樣,送專業(yè)設(shè)備檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行法蘭失效分析,對(duì)樣品的化學(xué)成分、硬度、力學(xué)性能、金相組織、晶粒度等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)。

(4)針對(duì)此問題,全面溯查與裂紋法蘭制造及熱處理同批次涉及的設(shè)備和相應(yīng)鍛件的使用部位和數(shù)量。

3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)法蘭失效分析

3.1 法蘭宏觀檢查

在失效試樣上端部變徑段與下部直段的連接焊縫處可見一條明顯的裂紋,見圖2。檢測(cè)發(fā)現(xiàn),裂紋直線長(zhǎng)度為350mm,其中210mm沿焊縫分布,再向下呈45°方向延伸,兩端近似對(duì)稱;至第二個(gè)變徑處的下邊緣停止擴(kuò)展,外表面可見輕微車削痕跡。試樣下端有機(jī)械切割打磨痕跡,內(nèi)表層均勻銹蝕并呈紅褐色。

圖2 法蘭宏觀檢查

3.2 試驗(yàn)室取樣及加工

為進(jìn)一步分析法蘭開裂的原因,對(duì)失效件進(jìn)行取樣分析,取樣部位見圖3,包括一組拉伸試樣3個(gè)、兩組沖擊試樣6個(gè)、金相試樣3個(gè)、夾雜物試樣2個(gè)、晶粒度試樣1個(gè)、裂紋試樣4個(gè)和硬度試樣1個(gè)。

圖3 失效件取樣部位示意圖

3.3 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 4336對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果符合NB/T 47008中對(duì)16Mn的要求。

3.4 硬度測(cè)定

依據(jù)GB/T 231.1規(guī)定,對(duì)試樣進(jìn)行布氏硬度檢測(cè),結(jié)果測(cè)得母材硬度為HBW205/201/198,不符合NB/T47008中對(duì)正火狀態(tài)16Mn材料硬度在HB128～180的規(guī)定。

3.5 金相組織分析

3.5.1 非金屬夾雜物

取樣部位見圖3,以試樣的縱截面為檢驗(yàn)面,依據(jù)GB/T 10561的規(guī)定,1#、2#試樣非金屬夾雜物級(jí)別分別為 D0.5、D0.5(圖4a、4b)。

3.5.2 金相組織

取樣部位見圖3,取3個(gè)金相試樣,沿法蘭縱截面厚度減薄方向分別命名為1#、2#、3#;以法蘭縱向平行方向的截面為檢驗(yàn)面,其中2#試樣包含裂紋橫截面。依據(jù)GB/T13298規(guī)定,試樣經(jīng)機(jī)械拋光,采用硝酸酒精溶液腐蝕,對(duì)應(yīng)的金相組織見表1及圖5—圖7。

圖4 1#、2#試樣非金屬夾雜物照片

表1 金相組織

3.5.3 晶粒度

取樣部位見圖3,按照GB/T 6394金屬平均晶粒度測(cè)定方法,取樣并采用滲碳法顯示奧氏體晶粒度。試樣經(jīng)機(jī)械拋光,采用硝酸酒精溶液腐蝕,在100倍光學(xué)顯微鏡下評(píng)定,對(duì)應(yīng)的晶粒度級(jí)別為G7.5級(jí),晶粒度金相圖見圖8。

圖5 1#試樣金相組織照片

圖7 3#試樣焊縫組織、熱影響區(qū)組織和母材照片

3.6 力學(xué)性能分析

按照GB/T 228和GB/T 229的要求進(jìn)行沖擊試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn),試樣截取部位及方式見圖3。拉伸試樣沿切向截取,沖擊試樣分別沿縱向和切向截取,試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3。

圖8 晶粒度金相圖

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表3 常溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.7 裂紋斷口分析

按照?qǐng)D3所示截取裂紋試樣1#、2#、3#、4#,各試樣包含了裂紋的一部分,其外表面及裂紋橫截面(裂紋深度)如圖9所示。經(jīng)測(cè)量,裂紋在拓展路徑上各位置的深度接近,均約21mm,并且可見裂紋在其斷裂面上部分位置未完全斷裂(圖9b、圖9d),且裂紋彎曲無分叉。

圖9 斷口試樣裂紋表面及其橫截面

4 失效原因綜合分析

4.1 檢驗(yàn)結(jié)果

(1)化學(xué)成分符合NB/T47008中對(duì)16Mn的要求。

(2)硬度高于NB/T47008中對(duì)正火狀態(tài)16Mn的要求。

(3)根據(jù)NB/T47008標(biāo)準(zhǔn)判定,該鍛件材料屈服強(qiáng)度和斷后延伸率滿足要求,但抗拉強(qiáng)度超過標(biāo)準(zhǔn)值,沖擊性能低于標(biāo)準(zhǔn)值。

(4)焊縫及熱影響區(qū)組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成,組織正常;母材組織中存在大量針狀魏氏組織,而正常16Mn鋼正火組織為鐵素體+珠光體。

4.2 分析

(1)金屬材料組織中存在的魏氏組織使鋼的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低,同時(shí)使韌脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。魏氏組織的形成主要出現(xiàn)在過熱鋼中,奧氏體晶粒越粗大越容易出現(xiàn)魏氏組織。鋼由高溫較快地冷卻下來時(shí)往往容易出現(xiàn)魏氏組織。

(2)從金相及力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果來看,裂紋起裂位置位于法蘭臺(tái)階交線處,該處為機(jī)加工形成的尖角,是應(yīng)力集中部位。

綜合以上分析,當(dāng)法蘭受到焊接或裝配的拘束應(yīng)力(拉力或剪力)時(shí),在應(yīng)力集中部位發(fā)生了脆性斷裂。

5 結(jié)論與建議

綜上所述,16MnII法蘭材料的組織不正常,出現(xiàn)魏氏組織和晶粒粗大現(xiàn)象,從而使脆性增加,這是導(dǎo)致法蘭開裂的根本原因。

E-1005C運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后放置了一個(gè)多月的時(shí)間,此段時(shí)期正值東北地區(qū)的冬季,溫差變化較大促使集中的應(yīng)力釋放出來,這是該法蘭出現(xiàn)裂紋的外因之一。針對(duì)試驗(yàn)分析結(jié)論,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)失效法蘭涉及的同一制造與熱處理批次的所有鍛件進(jìn)行了更換處理。

針對(duì)以上結(jié)論,對(duì)預(yù)防此類問題提出以下建議:

(1)制定合適的鍛造溫度和熱處理工藝;

(2)加工臺(tái)階處表面應(yīng)圓滑過渡。