摘 要:某裝置S30408不鏽鋼法蘭服役時發生開裂洩漏,采用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測 試、金相檢驗和掃描電鏡分析等方法分析其開裂原因。結果表明:法蘭材料的碳元素含量超标,大 量碳化物沿晶界析出,顯微組織呈敏化态;S30408不鏽鋼法蘭與管道對焊時,其頸部受熱,導緻敏化 加劇,晶界脆化;法蘭頸部形狀突變,頸部成為應力集中區,在焊接殘餘應力和工作壓力的作用下,頸 部逐漸萌生沿晶微裂紋,随着時間的推移,微裂紋擴展并彙聚形成宏觀裂紋,導緻法蘭貫穿開裂。

關鍵詞:S30408不鏽鋼;法蘭;敏化;沿晶開裂

中圖分類号:TG115.5 文獻标志碼:B 文章編号:1001-4012(2022)08-0046-04

S30408不鏽鋼是一種鉻-鎳不鏽鋼,具有良好 的耐蝕性、耐熱性、低溫強度、力學性能、加工性能和 可焊性等優點,廣泛應用于石油化工、能源、醫療、食 品、輕工等領域,可用于制造工業輸送管道、生産設 備以及機械結構部件等[1-2]。某公司環氧乙烷裝置 管線法蘭服役不足3a就發生開裂洩漏,該管線工 作壓力為3.8 MPa,工作溫度為-10~10 ℃,工作 介質為環氧乙烷,法蘭材料為 S30408不鏽鋼鍛件, 屬于帶頸對焊法蘭,規格為 WN65(B)-100M,執行 标準 為 HG/T20592—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、 化學成分分析、硬度測試、金相檢驗和掃描電鏡分析 等方法對其進行了分析。

1 理化檢驗

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,靠近對接焊縫,呈階梯狀環向開裂,局部已貫 穿,開裂部位宏觀形貌如圖2所示。将貫穿裂紋沿 法蘭軸向剖開,觀察裂紋面,發現斷口平齊,呈亮灰 色結晶狀,無明顯宏觀塑性變形,表面覆有紅棕色腐蝕産物,局部可見多裂紋相交形成的台階,斷口宏觀 形貌如圖3所示。

1.2 化學成分分析

依據 GB/T11170—2008《不鏽鋼 多元素含量 的測定 火花放電原子發射光譜法(常規法)》,在法 蘭端面取樣,用直讀光譜儀對其進行化學成分分析, 結果如表1所示。由表1可知:法蘭材料的碳元素 含量超 标,其 餘 元 素 含 量 均 滿 足 NB/T 47010— 2010《承壓設備用不鏽鋼和耐熱鋼鍛件》對 S30408 不鏽鋼的要求。

1.3 硬度測試

依據 GB/T231.1—2018 《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》,在法蘭頸部和端面取樣 并進行布氏硬度測試,結果如表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/T47010—2010 對S30408不鏽鋼的要求。

1.4 金相檢驗

依據 GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗方 法》,分别在法蘭頸部和端面取樣并進行金相檢驗,結 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 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,内外壁裂紋呈鋸齒狀沿壁厚方 向擴展,與中壁裂紋交彙連接,直至貫穿。

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,微裂紋沿晶擴展,有長大 傾向,裂紋内部未見腐蝕産物,微裂紋的 SEM 形貌 如圖6 所 示。進 一 步 觀 察 法 蘭 頸 部 的 顯 微 組 織, 網狀析出相清晰可見(見圖7)。利用能譜儀對析出相進行元素分析,結果顯示:析出相中碳元素的質量 分數為7.5%,鉻元素的質量分數為22.3%,高于材 料基體鉻元素的質量分數,說明析出相屬于富鉻碳 化物相,應為 M23C6 型碳化物[4]。

在SEM 下觀察斷口的微觀形貌,結果如圖 8 所示,斷口呈現不同程度的岩石狀花樣,為典型的沿 晶斷口,進一步放大後可見沿晶二次裂紋和顆粒狀 腐蝕産物。對斷口表面腐蝕産物進行能譜分析,結 果如表3所示,由表3可知:斷口表面腐蝕産物以鐵 的氧化物為主,未發現氯和硫等腐蝕性元素。

2 綜合分析

NB/T47010—2010 規 定 S30408 不 鏽 鋼 中 碳 元素的質量分數不高于0.08%,經化學成分分析可 知:開裂法蘭材料的碳元素質量分數為0.12%,遠 高 于 标 準 值 。不 鏽 鋼 的 含 碳 量 越 高 ,越 容 易 發 生敏化。對碳元素的質量分數超過 0.03% 的奧氏體 不鏽鋼(不含钛或铌的奧氏體不鏽鋼)進行 450~ 850 ℃加熱,或者緩慢冷卻到該溫度時,就會發生敏 化,造成奧氏體中過飽和的碳元素向晶界擴散并與 晶界附近的鉻元素結合,形成(CrFe)23C6 型碳化物 相在晶界沉澱[4]。由不同含碳量的奧氏體不鏽鋼敏 化 TTS曲線(不鏽鋼熱處理溫度、時間與其晶間腐 蝕敏感性之間的關系曲線)可知:當奧氏體不鏽鋼碳 元素質量分數為0.03%時,在600 ℃下需經8h才 能發 生 敏 化;當 碳 元 素 質 量 分 數 為 0.07% 時,在 700 ℃下僅需4.5min即可發生敏化[5]。

由于法蘭工作溫度為-10~10 ℃,這個溫度遠 低于敏化溫度,說明法蘭材料在制造過程中已經發生 敏化,并非長期服役所緻。通過顯微組織對比發現, 頸部顯微組織敏化程度高于端面,說明法蘭在與管道 對焊時,其頸部受熱,在敏感溫度區停留時間過長,導 緻敏化程度加劇,沿晶碳化物增多,逐步呈網狀分布。

由斷口分析可知,法蘭頸部發生沿晶斷裂。研 究表明,奧氏體不鏽鋼敏化後,晶界析出的 M23C6 碳化物能夠降低界面的結合強度,從而引起材料沖 擊吸收能量和塑性的降低,受外力後容易産生沿晶 裂紋,斷裂模式由韌性斷裂轉變為脆性斷裂[6-7]。另 有文獻指出,奧氏體不鏽鋼以沿晶形式斷裂一般有 3種情況,即純力學因素、晶間腐蝕或應力腐蝕[8]。 純力學因素造成的沿晶斷裂主要是由晶界沉澱和晶 界吸附造成的晶界脆化所緻。能譜分析結果顯示: 斷口表面腐蝕産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力 腐蝕無關,應為力學因素造成的開裂。法蘭正常服 役後,除承受焊接造成的殘餘應力外,主要承受較大 的工作壓力(管道工作壓力為3.8MPa)。由金相檢 驗結果可知:法蘭屬于多源開裂,内外壁均有裂紋 源,說明管道壓力波動也是開裂的重要原因,因此由 焊接造成的殘餘應力和管道工作壓力是引起法蘭開 裂的力學原因。

3 結論與建議

(1)法 蘭 材 料 的 碳 元 素 含 量 超 标,不 符 合 NB/T47010—2010對 S30408 不 鏽 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 敏化态。與管道對焊時,其頸部受熱,導緻敏化加 劇,晶界脆化。在焊接殘餘應力和工作壓力的作用 下,頸部逐漸萌生沿晶微裂紋。随着時間的推移,微 裂紋擴展彙聚形成宏觀裂紋,導緻法蘭貫穿開裂。

(2)建議增加法蘭的抽檢批次和數量,除标準規 定外,也可從顯微組織、晶粒度、夾雜物等檢驗環節把 控産品質量,避免使用不合格法蘭。後期焊接時,也 應控制敏化溫度的停留時間,降低材料的敏化傾向。

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<文章來源 >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 8期 (pp:46-49)>