S30408不銹鋼法蘭開裂原因

湯鵬杰, 芮樂順, 梁 斌

(1.南京金創(chuàng)有色金屬科技發(fā)展有限公司, 南京 211178; 2.南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院, 南京 210019)

S30408不銹鋼是一種鉻-鎳不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度、力學(xué)性能、加工性能和可焊性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、能源、醫(yī)療、食品、輕工等領(lǐng)域，可用于制造工業(yè)輸送管道、生產(chǎn)設(shè)備以及機(jī)械結(jié)構(gòu)部件等[1-2]。某公司環(huán)氧乙烷裝置管線法蘭服役不足3 a就發(fā)生開裂泄漏，該管線工作壓力為3.8 MPa，工作溫度為-10～10 ℃，工作介質(zhì)為環(huán)氧乙烷，法蘭材料為S30408不銹鋼鍛件，屬于帶頸對(duì)焊法蘭，規(guī)格為WN65(B)-100M，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為HG/T 20592—2009 《鋼制管法蘭(PN系列)》。為查明該法蘭開裂原因，筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)和掃描電鏡分析等方法對(duì)其進(jìn)行了分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂法蘭宏觀形貌如圖1所示，裂紋位于法蘭頸部，靠近對(duì)接焊縫，呈階梯狀環(huán)向開裂，局部已貫穿，開裂部位宏觀形貌如圖2所示。將貫穿裂紋沿法蘭軸向剖開，觀察裂紋面，發(fā)現(xiàn)斷口平齊，呈亮灰色結(jié)晶狀，無明顯宏觀塑性變形，表面覆有紅棕色腐蝕產(chǎn)物，局部可見多裂紋相交形成的臺(tái)階，斷口宏觀形貌如圖3所示。

圖1 開裂法蘭宏觀形貌

圖2 開裂部位宏觀形貌

圖3 斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

依據(jù)GB/T 11170—2008 《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，在法蘭端面取樣，用直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：法蘭材料的碳元素含量超標(biāo)，其余元素含量均滿足NB/T 47010—2010 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》對(duì)S30408不銹鋼的要求。

表1 法蘭的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測(cè)試

依據(jù)GB/T 231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，在法蘭頸部和端面取樣并進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。由表2可知：法蘭頸部硬度的平均值為227 HBW，端面硬度的平均值為208 HBW，均高于NB/T 47010—2010對(duì)S30408不銹鋼的要求。

表2 法蘭的硬度測(cè)試結(jié)果 HBW

1.4 金相檢驗(yàn)

依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，分別在法蘭頸部和端面取樣并進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，法蘭顯微組織為孿晶奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀沿晶分布，具有敏化特征[3]。對(duì)比頸部與端面組織可知，頸部組織析出相較多，沿奧氏體晶界網(wǎng)狀分布，說明頸部敏化程度要明顯高于端面。頸部裂紋微觀形貌如圖5所示，由圖5可知：頸部裂紋主要為沿晶型，內(nèi)外壁裂紋呈鋸齒狀沿壁厚方向擴(kuò)展，與中壁裂紋交匯連接，直至貫穿。

圖5 頸部裂紋微觀形貌

1.5 掃描電鏡和能譜分析

在掃描電鏡(SEM)下觀察法蘭開裂部位，在主裂紋附近可見大量微裂紋，微裂紋沿晶擴(kuò)展，有長(zhǎng)大傾向，裂紋內(nèi)部未見腐蝕產(chǎn)物，微裂紋的SEM形貌如圖6所示。進(jìn)一步觀察法蘭頸部的顯微組織，網(wǎng)狀析出相清晰可見(見圖7)。利用能譜儀對(duì)析出相進(jìn)行元素分析，結(jié)果顯示：析出相中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%，鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.3%，高于材料基體鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，說明析出相屬于富鉻碳化物相，應(yīng)為M23C6型碳化物[4]。

圖6 微裂紋的SEM形貌

圖7 網(wǎng)狀析出相的SEM形貌

在SEM下觀察斷口的微觀形貌，結(jié)果如圖8所示，斷口呈現(xiàn)不同程度的巖石狀花樣，為典型的沿晶斷口，進(jìn)一步放大后可見沿晶二次裂紋和顆粒狀腐蝕產(chǎn)物。對(duì)斷口表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表3所示，由表3可知：斷口表面腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，未發(fā)現(xiàn)氯和硫等腐蝕性元素。

表3 斷口表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果 %

圖8 斷口的SEM形貌

2 綜合分析

NB/T 47010—2010規(guī)定S30408不銹鋼中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.08%，經(jīng)化學(xué)成分分析可知：開裂法蘭材料的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)值。不銹鋼的含碳量越高，越容易發(fā)生敏化。對(duì)碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.03%的奧氏體不銹鋼(不含鈦或鈮的奧氏體不銹鋼)進(jìn)行450～850 ℃加熱，或者緩慢冷卻到該溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生敏化，造成奧氏體中過飽和的碳元素向晶界擴(kuò)散并與晶界附近的鉻元素結(jié)合，形成(CrFe)23C6型碳化物相在晶界沉淀[4]。由不同含碳量的奧氏體不銹鋼敏化TTS曲線(不銹鋼熱處理溫度、時(shí)間與其晶間腐蝕敏感性之間的關(guān)系曲線)可知：當(dāng)奧氏體不銹鋼碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，在600 ℃下需經(jīng)8 h才能發(fā)生敏化；當(dāng)碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%時(shí)，在700 ℃下僅需4.5 min即可發(fā)生敏化[5]。

由于法蘭工作溫度為-10～10 ℃，這個(gè)溫度遠(yuǎn)低于敏化溫度，說明法蘭材料在制造過程中已經(jīng)發(fā)生敏化，并非長(zhǎng)期服役所致。通過顯微組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，頸部顯微組織敏化程度高于端面，說明法蘭在與管道對(duì)焊時(shí)，其頸部受熱，在敏感溫度區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致敏化程度加劇，沿晶碳化物增多，逐步呈網(wǎng)狀分布。

由斷口分析可知，法蘭頸部發(fā)生沿晶斷裂。研究表明，奧氏體不銹鋼敏化后，晶界析出的M23C6碳化物能夠降低界面的結(jié)合強(qiáng)度，從而引起材料沖擊吸收能量和塑性的降低，受外力后容易產(chǎn)生沿晶裂紋，斷裂模式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔裑6-7]。另有文獻(xiàn)指出，奧氏體不銹鋼以沿晶形式斷裂一般有3種情況，即純力學(xué)因素、晶間腐蝕或應(yīng)力腐蝕[8]。純力學(xué)因素造成的沿晶斷裂主要是由晶界沉淀和晶界吸附造成的晶界脆化所致。能譜分析結(jié)果顯示：斷口表面腐蝕產(chǎn)物以鐵的氧化物為主，未見氯、硫等腐蝕性元素，說明法蘭貫穿開裂與晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕無關(guān)，應(yīng)為力學(xué)因素造成的開裂。法蘭正常服役后，除承受焊接造成的殘余應(yīng)力外，主要承受較大的工作壓力(管道工作壓力為3.8 MPa)。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知：法蘭屬于多源開裂，內(nèi)外壁均有裂紋源，說明管道壓力波動(dòng)也是開裂的重要原因，因此由焊接造成的殘余應(yīng)力和管道工作壓力是引起法蘭開裂的力學(xué)原因。

3 結(jié)論與建議

(1) 法蘭材料的碳元素含量超標(biāo)，不符合NB/T 47010—2010對(duì)S30408不銹鋼的要求。其顯微組織為孿晶奧氏體，大量碳化物沿晶界析出，呈敏化態(tài)。與管道對(duì)焊時(shí)，其頸部受熱，導(dǎo)致敏化加劇，晶界脆化。在焊接殘余應(yīng)力和工作壓力的作用下，頸部逐漸萌生沿晶微裂紋。隨著時(shí)間的推移，微裂紋擴(kuò)展匯聚形成宏觀裂紋，導(dǎo)致法蘭貫穿開裂。

(2) 建議增加法蘭的抽檢批次和數(shù)量，除標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外，也可從顯微組織、晶粒度、夾雜物等檢驗(yàn)環(huán)節(jié)把控產(chǎn)品質(zhì)量，避免使用不合格法蘭。后期焊接時(shí)，也應(yīng)控制敏化溫度的停留時(shí)間，降低材料的敏化傾向。