分享：奥氏体不锈钢法兰开裂原因分析

摘 要:某奥氏体不锈钢法兰在使用过程中颈部出现开裂渗漏现象,通过材料化学成分分析、金 相显微组织分析、扫描电镜观察裂纹断面微观形貌及 X 射线能谱分析裂纹断面腐蚀产物成分,对 法兰开裂原因进行了分析.结果表明:法兰材料碳元素含量超标,且存在热加工缺陷,晶界处有大 量析出物,法兰使用过程中存在拉应力及腐蚀环境,以上因素共同作用导致法兰颈部发生沿晶应力 腐蚀开裂. 

关键词:奥氏体不锈钢;法兰;晶界析出物;应力腐蚀开裂 

中图分类号:TH１３１．９ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９０５Ｇ０４

某化工厂在生产运营过程中发现法兰颈部有液 体渗漏现象,经观察发现法兰颈部存在沿圆周方向的 裂纹,如图１所示.此法兰内部介质为航空煤油,工 作压力为２．０MPa,介质温度为４０ ℃,外壁暴露于露 天环境中,法兰材料为S３２１６８奥氏体不锈钢,采用锻 造成型工艺生产,后经固溶处理,再加工制造成型. 笔者通过一系列理化检验方法以及对检验结果进行 分析讨论,找出了该不锈钢法兰裂纹产生的原因,并 提出了改进建议,以避免类似失效的再发生.

１ 理化检验 

１．１ 宏观分析 

宏观观察法兰开裂部位可见,裂纹呈曲折、断续 状沿法兰颈圆周分布,法兰盘处无裂纹.法兰颈外 表面裂纹较多且间隙较大,如图２a)所示;法兰颈内 表面裂纹较少且细小,如图２b)所示.由此可以判 断,裂纹由外向内扩展. 

１．２ 化学成分分析 

在图１所示１号部位处取样,采用固定式全谱直读光谱仪分析１号试样的化学成分,结果见表１. 可见碳元素含量超出标准技术要求,钛元素含量低 于标 准 技 术 要 求,其 余 各 元 素 含 量 均 符 合 NB/T ４７０１０－２０１０对S３２１６８不锈钢成分含量的要求.

１．３ 金相分析 

在图１中２号部位处取金相试样,经粗磨、细 磨、抛光及１０％(体积分数)草酸溶液电解浸蚀后, 在金相显微镜下观察[１].法兰显微组织为单相奥氏 体,依据 GB/T６３９４－２００２采用比较法评定晶粒度 级别为６．０级,如图３a)所示;放大１０００倍观察可 见,晶界处存在大量析出物,同时有硬质非金属夹杂 物分布于晶界或晶内,如图３b)所示.

观察金相试样裂纹处形貌,可见裂纹主干、分支 明显,且沿晶发展,尖端较为锐利,为典型的沿晶应 力腐蚀裂纹形貌,如图４所示. 

１．４ 扫描电镜及能谱分析 

使用 QUANTA２００ 扫 描 电 镜 (SEM)观 察 ２ 号金相试 样,清 晰 可 见 晶 界 处 存 在 大 量 析 出 物, 如图５所示.在图１中３ 号 部 位 取 样,用 于 扫 描 电镜观察裂 纹 断 面 微 观 形 貌 及 能 谱 (EDS)分 析 腐蚀产物成分,３ 号 试 样 裂 纹 经 打 开 后 暴 露 出 裂 纹断面,在扫描电 镜 下 观 察. 图 ６a)为 法 兰 颈 外 表面裂纹起始区断 口 形 貌,可 见 较 多 腐 蚀 产 物 附 着于断面,形成网状 龟 裂 的 “泥 纹 花 样”. 图 ６b) 为裂纹 中 部 区 域 形 貌,呈 现 冰 糖 状 沿 晶 断 裂 特 征,晶面 附 着 少 量 腐 蚀 产 物,并 伴 有 二 次 裂 纹. 图６c)为裂纹尾端形貌,呈现出沿晶断裂特征,二 次裂纹及多棱平滑晶面清晰可见,晶面附着较少腐蚀产物,由此可见裂纹由外向内扩展,与宏观分析 结果一致. 

能谱分 析 金 相 试 样 中 硬 质 非 金 属 夹 杂 物 成 分,如图７ 所 示,结 合 其 金 相 特 征 可 知 该 夹 杂 物 是以 TiN 为 主 的 复 合 夹 杂 物. 图 ８ 显 示 晶 界 处 物质由 铬 的 析 出 物 及 腐 蚀 产 物 组 成. 图 ９ 为 裂 纹表面 腐 蚀 产 物 能 谱 分 析 结 果,其 组 成 元 素 有 氯、硫、氧等 腐 蚀 性 元 素,以 及 铁、铬、锰、硅 等 材 料基体元素.

２ 综合分析 

结合上述理化检验结果及法兰使用条件进行如 下分析. 

(１)敏感的材料 

法兰显微组织晶界上存在大量析出物,析出物 的产生与法兰碳元素含量较高及热加工工艺制度有 关.过多碳元素,为晶界析出物产生提供物质基础, 在４００~８５０℃的敏化温度范围[２],由于碳原子体积 小,在金属中有较大扩散能力,很容易扩散到晶界与 晶界上的铬原子结合,故使晶界上的铬元素含量下 降,同时晶内的铬也会向晶界扩散补充,但由于铬的 扩散能力远小于碳原子的,难以及时补充晶界上的 损失,故随晶界上碳化铬的不断析出,当铬元素含量 降到 ＜１２％ (质 量 分 数)时,晶 界 就 会 有 被 腐 蚀 的危险.

(２)特定的腐蚀介质 

能谱分析裂纹断面腐蚀产物,含有氯、硫、氧等 腐蚀性元素及铁、铬、锰、镍、硅等基体元素,腐蚀性 元素的出现与法兰和大气环境直接接触,雨水的冲 刷及厂区大气环境中存在该类元素有关.

(３)适当的拉应力 

图１０a)是一个不受力的带颈法兰,当法兰受到 内部压力时,作用到法兰上产生力矩 M,法兰盘上 的矩形截面将发生如图１０b)所示的转动,导致法兰 颈产生细微纵向弯曲变形,如图１０c)(图中QO 表示 法兰盘作用给器壁的剪切力,MO 表示法兰盘作用 给器壁的弯矩)所示,因此法兰在使用过程中法兰颈在加厚过渡带区域,因为应力集中较为明显,该区域 有可能弯曲幅度较大,氧化膜很可能会破裂,导致钻 杆基体与泥浆接触,腐蚀进一步加深,周而复始,发 生刺穿失效.

３ 结论及建议

此次钻杆刺穿为早期腐蚀疲劳失效,疲劳裂纹 起源于钻杆加厚过渡带消失区域内壁的腐蚀坑底 部;钻杆钻进过程中,在交变载荷的作用下加厚过渡 带消失区域由于应力集中而在腐蚀坑底部萌生腐蚀 疲劳裂纹,裂纹不断扩展最终造成钻杆刺穿失效.

建议采用内涂层钻杆,可以有效避免钻杆基体 与井下介质的直接接触,防止钻杆内壁腐蚀,提高钻 杆的疲劳寿命;适当降低钻杆转速,减小钻杆承受的 旋转弯曲应力,也可以提高钻杆的使用寿命.

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文章来源——材料与测试网