SUS304奧氏體不銹鋼法蘭開裂原因分析

陸愛良

摘 要：通過對(duì)新建管道壓力試驗(yàn)過程中奧氏體不銹鋼法蘭泄漏進(jìn)行分析，認(rèn)為泄漏是由于法蘭內(nèi)部埋藏裂紋在試驗(yàn)壓力的作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，直至法蘭開裂造成的。產(chǎn)生內(nèi)部埋藏裂紋的原因是：該法蘭鍛坯內(nèi)含有較多的非金屬夾雜物，在鍛制過程中，使材料內(nèi)部產(chǎn)生沿夾雜物尖端的鍛制裂紋，這些裂紋大多屬于埋藏裂紋，法蘭機(jī)加工成型后，有的埋藏裂紋變成了表面裂紋。法蘭生產(chǎn)廠采取打磨消除表面裂紋、補(bǔ)焊、再次機(jī)加工的方法，這樣即使表面裂紋消除，內(nèi)部裂紋依然存在，以至于在承受一定應(yīng)力后，進(jìn)一步加劇裂紋擴(kuò)展，直至法蘭泄漏。

關(guān)鍵詞：不銹鋼 非金屬夾雜物 埋藏裂紋 金相檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TF762 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）007-034-02

1 概述

某化工裝置新建一條工藝管道，在耐壓試驗(yàn)過程中，該管道上一處奧氏體不銹鋼法蘭發(fā)生泄漏，致使壓力試驗(yàn)中斷。該管道主體材質(zhì)采用奧氏體不銹鋼SUS304?，F(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，管道安裝位置合格，支架布局合理，管道結(jié)構(gòu)正常，符合設(shè)計(jì)及技術(shù)要求。

該管道設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，本次試驗(yàn)壓力為2.4MPa，當(dāng)緩慢升壓至0.6MPa時(shí)，一處法蘭出現(xiàn)了泄漏，耐壓試驗(yàn)中斷。宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋位于法蘭頸部，是一條幾乎平行于焊縫的環(huán)向裂紋。裂紋斷口基本與表面垂直，斷口平齊，斷口毗鄰部位金屬未發(fā)生明顯塑性變形，可排除因超壓引起的法蘭材料失效。現(xiàn)象表明，法蘭泄漏并非因?yàn)樵囼?yàn)操作不當(dāng)引起的。

奧氏體不銹鋼是石油化工裝置中常用的金屬材料，但奧氏體不銹鋼法蘭在壓力試驗(yàn)過程中出現(xiàn)開裂是比較少見的。為弄清裂紋產(chǎn)生原因，評(píng)價(jià)與開裂法蘭同批次的其他奧氏體不銹鋼法蘭的使用性能，有必要對(duì)此進(jìn)行全面分析，并提出此類問題的解決方案。

2 理化分析

首先，對(duì)開裂法蘭進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 開裂法蘭的化學(xué)成分分析結(jié)果（%）

分析結(jié)果表明，該法蘭及焊接材料的化學(xué)成分均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)該法蘭頸部外表面及密封面分別進(jìn)行布氏硬度測(cè)試，其布氏硬度測(cè)試值符合JB4728-2000標(biāo)準(zhǔn)要求。

在材料化學(xué)成分合格、硬度檢測(cè)合格、管道安裝符合技術(shù)要求、耐壓試驗(yàn)操作規(guī)范的前提下，管道法蘭在耐壓試驗(yàn)過程中開裂，說明產(chǎn)生的缺陷與法蘭的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或其他未知因素有關(guān)。

3 裂紋性質(zhì)分析

3.1 表面裂紋形貌

將該泄漏法蘭從管道上切割下來，對(duì)其進(jìn)行全面宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)法蘭內(nèi)表面存在裂紋，最長(zhǎng)為3mm，寬為0.5mm，裂紋及其附近已經(jīng)產(chǎn)生銹漬；法蘭螺栓孔內(nèi)表面也發(fā)現(xiàn)較多裂紋；法蘭密封面及其他位置發(fā)現(xiàn)多處非金屬夾雜物，個(gè)別非金屬夾雜物因脫落在法蘭密封面表面形成小凹坑，凹坑最大為 2.0mm，最小為 0.8mm，凹坑的邊緣有肉眼可見的微小裂紋。

對(duì)同廠家、同批次的其他奧氏體不銹鋼法蘭進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)多件法蘭存在不同程度的缺陷，有的法蘭外表面存在肉眼可見的明顯裂紋。宏觀檢查結(jié)果進(jìn)一步表明，法蘭泄漏與法蘭本身因素有關(guān)系。

3.2 剖面裂紋形貌

為進(jìn)一步探求法蘭泄漏的真正原因，隨機(jī)選擇一件同廠家、同批次，且密封面上因非金屬夾雜物脫落而形成小凹坑的平焊法蘭，對(duì)其進(jìn)行解剖，將其分成大小不均的三份，仔細(xì)觀察其剖面發(fā)現(xiàn)，法蘭的6個(gè)剖面中有4個(gè)剖面有肉眼可見的裂紋，裂紋幾乎貫穿整個(gè)剖面。

選擇其中一個(gè)剖面，經(jīng)粗磨、細(xì)磨、腐蝕后觀察，裂紋更加明顯，幾乎貫穿了整個(gè)剖面。裂紋具有一定的寬度，大多裂紋空隙處噙含黑色非金屬夾雜物，其中有一處夾雜物距離法蘭密封面約3.0mm，直徑約 2.5mm，夾雜物上部至密封面有明顯的補(bǔ)焊痕跡，補(bǔ)焊面積約380mm2，補(bǔ)焊深度達(dá)3.0mm（見圖1）。

圖1 一剖面上的裂紋、黑色夾雜物及補(bǔ)焊痕跡

在這條新建的工藝管道上，使用的管道組成件并非是利舊品，而是新購進(jìn)的產(chǎn)品，在法蘭剖面上發(fā)現(xiàn)了多處噙含非金屬夾雜物的裂紋，可以初步判定：裂紋的產(chǎn)生與大量存在的非金屬夾雜物有關(guān)。而剖面上的補(bǔ)焊痕跡，卻是一種令人費(fèi)解的、非常不正常的現(xiàn)象。

3.3 金相組織分析

為進(jìn)一步探求裂紋產(chǎn)生的原因，弄清楚新購買的法蘭在組焊到管道上之前是否真的經(jīng)歷了補(bǔ)焊，對(duì)法蘭剖面裂紋位置進(jìn)行金相檢驗(yàn)。

取圖1中所述試件，對(duì)法蘭剖面上有補(bǔ)焊痕跡的位置進(jìn)行細(xì)磨、拋光，在100倍顯微鏡下觀察，裂紋更加清晰，較長(zhǎng)的裂紋內(nèi)部含有體積較大的條狀非金屬夾雜物（見圖2）及剖面上彌散的點(diǎn)狀非金屬夾雜物（見圖3）；裂紋尖端禿鈍，裂紋兩側(cè)未見明顯異?，F(xiàn)象（見圖4）；該處金相組織含枝晶狀?yuàn)W氏體，是典型的奧氏體不銹鋼焊接接頭組織（見圖5）。

4 裂紋性質(zhì)判定

綜合上述法蘭裂紋形貌、斷口特征、裂紋微觀形貌及金相組織分析結(jié)果，表明裂紋產(chǎn)生在法蘭生產(chǎn)過程中，屬于沿夾雜物尖端的鍛制裂紋。為了消除法蘭表面明顯的裂紋，在法蘭出廠前確實(shí)經(jīng)歷了補(bǔ)焊。

5 裂紋成因分析

5.1 大量存在的非金屬夾雜物，是裂紋產(chǎn)生的根源

由于制造法蘭的鍛坯內(nèi)存在大量的非金屬夾雜物，在鍛制過程中，體積型夾雜經(jīng)反復(fù)鍛制，變成面積型夾雜，使材料內(nèi)部產(chǎn)生了沿夾雜物尖端的鍛制裂紋。體積較大的夾雜物鍛制后變成了尺寸較大的裂紋；體積較小的夾雜物鍛制后變成了尺寸較小的微裂紋。這些裂紋大多是埋藏裂紋。

鍛坯經(jīng)過機(jī)加工后，埋藏裂紋有的變成了表面裂紋，這就是宏觀檢查中發(fā)現(xiàn)法蘭內(nèi)外表面、螺栓孔內(nèi)存在較多的微裂紋的原因。對(duì)于法蘭表面尺寸較大的裂紋，為了能讓產(chǎn)品出廠，生產(chǎn)廠家采取了打磨→消除表面裂紋→補(bǔ)焊→再次機(jī)加工等手段，使法蘭外觀上看起來沒有明顯的缺陷。這就是法蘭補(bǔ)焊面積380mm2、補(bǔ)焊深度3mm的原因。

5.2 鍛制裂紋在試驗(yàn)壓力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，致使法蘭最終泄漏

大量存在的非金屬夾雜物，會(huì)降低材料的塑性和韌性，裂紋內(nèi)部的夾渣使裂紋的尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，法蘭無法承受外加載荷，致使在耐壓試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)壓力剛剛達(dá)到0.6MPa，法蘭便開裂泄漏。

6 采取的措施

（1）將所有問題法蘭全部更換。

（2）繼續(xù)查找本裝置中使用的同廠家、同批次的其他管件，采用相應(yīng)檢驗(yàn)手段，確認(rèn)其是否合格。

（3）對(duì)新更換的法蘭，除了復(fù)驗(yàn)其化學(xué)成分、力學(xué)性能外，還應(yīng)進(jìn)行宏觀檢查，評(píng)價(jià)其幾何尺寸和表面光潔度，并檢查是否有非正常幾何尺寸不連續(xù)處。

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