法兰不锈钢垫片开裂的失效分析

谢龙根

（上海市松江区特种设备监督检验所）

法兰不锈钢垫片开裂的失效分析

谢龙根*

（上海市松江区特种设备监督检验所）

通过化学成分分析、金相检查和断口分析等手段，对一法兰不锈钢垫片的开裂进行了失效分析。实验测试和数据分析表明，该垫片开裂的主要原因为氯离子引起的应力腐蚀开裂。

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0 背景介绍

某装置裂解气压缩机出口法兰垫片在正常运行过程中发生断裂，运行期间罐内介质为空气，最大压力为2.0 MPa，常温运行，开裂垫片材质为304不锈钢。本文通过化学成分分析、金相检查和断口分析等手段，对该法兰垫片的开裂原因进行分析，以期减少和预防同类失效现象的重复发生。

1 裂纹宏观形貌

图1所示为垫片裂纹的宏观形貌。垫片出现多条裂纹，裂纹均沿螺栓处开裂，断口绝大部分已经严重锈蚀，这说明裂纹已经出现较长时间，较新的断口极少。螺栓处的材料已发生严重挤压变形，还有碎块掉出。断口处壁厚没有减薄，也没有拉长现象，垫片没有宏观变形，这说明是脆性开裂。

2 材料化学成分和拉伸性能

为确认垫片的材料性能，对法兰密封垫片的化学成分和拉伸性能进行了测试。表1是其化学成分分析结果，从分析结果可以看出，垫片材料完全符合304不锈钢的材料标准要求。

拉伸试验按GB 3076—1982《金属薄板（带）拉伸试验方法》进行，取2个平行试样试验。表2是垫片材料的拉伸性能，材料的强度和韧性均符合304奥氏体不锈钢标准。图2是拉伸断口宏观形貌，断口有明显的颈缩现象，为韧性断裂。

3 材料金相

图3是法兰密封垫片材料的金相组织，图3（a）是密封面材料表面金相，材料是奥氏体组织，晶粒大小正常；图3（b）是剖面金相组织，垫片轧制过程有些加工硬化条纹，总体来看其金相组织是正常的。

图1 垫片裂纹宏观形貌

表1 垫片材料成分分析结果（%）

表2 垫片材料的拉伸性能

图2 垫片材料拉伸后的断口宏观形貌

4 裂纹金相分析

图3 垫片金相图

为检查裂纹的开裂微观情况，对样品进行线切割，取裂纹尖端部分进行金相分析，另一部分进行断口扫描电镜分析。

观察裂纹尖端金相是指在裂纹尖端（即断裂件尚未完全断开）处沿断裂表面的垂直方向抛光，在显微镜下观察裂纹尖端情况。图4（a）是法兰垫片材料表面抛光后未侵蚀前的裂纹显微形貌，裂纹平直，没有或少有分叉，裂尖比较尖锐；图4（b）是侵蚀后的裂纹尖端形貌，裂纹呈穿晶扩展；图4（c）是剖面裂纹尖端金相形貌，裂纹呈尖锐状，且穿晶扩展。

图4 裂纹金相图

5 断口分析

微观分析主要是利用扫描电子显微镜观察断口表面形貌，帮助判别断裂机理。不同的开裂机理呈不同的断口形貌，因此从断口形貌可判别断裂的性质，推断裂纹扩展的原因和过程。图5是断裂较早的断口，表面有大量腐蚀产物，局部类似相互挤压磨损的痕迹。由图5可见，该断口具有以下特征：（1）表面具有河流状的解理断裂特征；（2）疲劳断裂断口表面宏观上具有平行的贝壳线，局部在电镜中放大后可观察到疲劳辉纹，这是奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂所具备的特征[1-2]。

图5 裂纹断口扫描电镜形貌

图6是对应的表面腐蚀产物能谱分析结果，能谱显示腐蚀产物有氯离子，即疲劳断裂断口表面上分布了大量氯离子腐蚀产物。

图6 表面腐蚀产物能谱分析结果

图7是靠近裂纹尖端的断口，这部分断口腐蚀较轻。在低倍放大下可以看出，裂纹是从上下两个表面向壁厚中部扩展的，垂直方向有解理断裂特征，这是明显的氯离子导致的应力腐蚀特征，见图7（a）、（b）。另外，在上下两侧还有弧形条纹，这是疲劳特征，在1 000倍放大下可清晰显示疲劳辉纹特征，见图 7（c）、（d）。

6 分析和结论

图7 腐蚀轻微处断口扫描电镜形貌

根据以上分析结果，垫片材料为奥氏体不锈钢，材料性能正常。裂纹为脆性断裂，是由环境导致的。根据断口形貌和表面腐蚀产物能谱分析结果显示，裂纹是氯离子导致的应力腐蚀开裂。

奥氏体不锈钢对氯离子的应力腐蚀非常敏感，腐蚀产物中有氯离子，满足奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质条件。断口上的解理断裂符合奥氏体不锈钢氯离子应力腐蚀开裂的特征。解理裂纹扩展过程中，断口的电子金相应是一个理想的平坦晶面。但实际晶面并非理想的完整晶面，总是存在缺陷的，如位错、沉淀相等，所以实际上并不是沿着一个晶面解理，而是沿着一族相互平行的位于不同高度的晶面解理。裂纹扩展过程中，在不同高度的平行解理面之间的台阶相互汇合，便形成河流花样，河流花样与裂纹扩展方向相同。断口上还观察到与河流花样垂直的条纹，这些条纹具有疲劳裂纹的特征。疲劳辉纹是裂纹扩展的瞬时前沿，条纹推移方向（垂直于条纹）即为裂纹扩展方向。可见疲劳裂纹扩展方向与应力腐蚀裂纹扩展方向相同。应力腐蚀是开裂的主要原因，疲劳加剧了应力腐蚀裂纹的扩展。

[1]黄毓晖，轩福贞，涂善东.304奥氏体不锈钢在酸性氯离子溶液中应力腐蚀性能的研究[J].压力容器，2009，26（7）： 5-10.

[2]王瑞岩.奥氏体不锈钢在氯离子溶液中的应力腐蚀开裂研究 [D].济南：山东大学，2016.

Cracking Failure Analysis of Stainless Steel Gaskets for Flanges

Xie Longgen

The cracking of a flange stainless steel gasket was analyzed by means of chemical composition analysis,metallographic examination and fracture analysis.The results of the test and data analysis showed that the main reason of the cracking was the stress corrosion cracking caused by chloride ion.

Gasket;Stainless steel;Chloride ion;Stress corrosion;Metallographic examination;Crackle;Flange

TQ 050.3

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.10.012

*谢龙根，男，1963年生，工程师。上海市，201613。

2017-06-01）