压力容器法兰外表面开裂失效分析

杨虎诚

（鄂尔多斯特种设备检验所，内蒙古鄂尔多斯 017000）

1 问题

某化工厂化工装置过滤器（F3305）的上下筒体法兰外表面均出现裂纹，该设备由中石化工程建设公司设计，于2002年12月12日制造，2004年1月安装投运。设备材料为1Cr18Ni9，使用年限为13 a。设备工况：使用压力为4.9 MPa，使用温度为90℃，介质为丙烯。

2 渗透检测

渗透检测发现筒体法兰一侧外表面有3类裂纹，见图1。A类离焊缝15 mm，为横向网状裂纹；B类为纵向裂纹，分布在离焊缝15 mm处；C类为横向裂纹，分布在离焊缝＞30 mm处。法兰内表面未发现裂纹。裂纹均位于法兰颈部，裂纹基本与表面垂直，裂纹毗邻部位金属均发生明显塑性变形。

3 检验

检验取样位置见图2。1#位置取化学成分分析试样；2#位置取冲击试样；3#，4#位置取A处裂纹试样，观察纵截面；5#位置取B处裂纹试样，观察横截面；6#位置取C处裂纹试样，观察纵截面。

3.1 材料检验

图1 渗透检测结果

图2 取样位置

法兰材料为304。用ARL4460型直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1。对比表1中3组值，法兰材料与供货值各元素均符合JB 4728—2000《不锈钢锻件》中各元素的要求。

表1 化学成分分析值及原始供货值

3.2 硬度检验

对A，B，C处进行显微维氏硬度检验，每个试样均由外表面至内表面，从距外表面1 mm处开始，间隔为2 mm，检测数据见表2。检验结果显示，外表面硬度值均高于心部和内表面。其中在A处1#硬度为193 HB，布氏硬度超过JB 4728—2000《不锈钢锻件》标准中对304材料硬度应在（139～187）HB的要求。硬度越高，断裂韧性越差，裂纹越容易产生并扩展。同时在B处发现一处大块夹杂物的硬度值为221 HB。该夹杂物硬度明显高于奥氏体基体，容易在应力作用下产生裂纹。

3.3 力学性能检验

表2 各区域硬度值HB

环境温度23℃，冲击功KV2为226 J。

3.4 金相检验

对A处裂纹进行金相检验，从图3可见，大量黑色点状夹杂物分布在奥氏体晶粒内和晶界上；裂纹从外表面向内沿晶界扩展，未贯穿基体；奥氏体晶粒粗细不均匀，局部晶粒非常粗大，晶粒度最大超过1级；未发现裂纹起裂点。

图3 A处金相（王水浸蚀）

对B处裂纹进行金相检测，从图4可见，大量黑色点状夹杂物分布在奥氏体晶粒内和晶界上，另有大的块状夹杂物；裂纹从外表面向内沿晶界扩展，未贯穿基体；奥氏体晶粒粗细不均匀，心部晶粒非常粗大，晶粒度超过1级。

图4 B处金相（王水浸蚀）

对C处裂纹进行金相检测，见图5。基体为奥氏体，大量黑色点状夹杂物分布在晶粒内和晶界上，另有大的块状夹杂物；裂纹从外表面向内沿晶界扩展，未贯穿基体；奥氏体晶粒粗细不均匀，心部晶粒非常粗大，晶粒度超过1级，最大的晶粒（1.2×0.8）mm。

图5 C处金相（王水浸蚀）

检测结果：奥氏体晶粒大小不均匀，心部晶粒粗大，这是由于在法兰制造过程中温度过高，散热不均，造成表面冷却速度快，心部冷却速度慢，导致心部长期停留在较高温度，致使晶粒异常长大。

奥氏体不锈钢的一种较为常见的劣化现象为敏化现象，奥氏体不锈钢敏化是由表面沿晶界深入到内部，使材料的强度急剧下降，而表面却仍然光亮完好。敏化的温度（450～850）℃，该温度区间为产生晶间腐蚀的敏化温度区，其中650℃最为危险。

该法兰出现明显的晶粒粗大同时出现大量黑色点状夹杂物，应是制造过程中，在敏化温度区间停留过长，造成晶粒长大并大量 Fe，Cr，Ni的碳化物析出。

3.5 扫描电镜、能谱分析

扫描电镜检验结果见图6，B处夹杂物附近也发现裂纹，并且沿晶界开裂，说明硬度较高的夹杂物也是裂纹产生的原因。对此夹杂物进行能谱分析，可能为锻造时带入的硅酸盐类夹杂物，成分见表3。对黑色点状物进行能谱检验，结果一部分为Fe，Cr，Ni的碳化物，成分见表4；一部分为锻造时带入的非金属夹杂物，主要为氧化物，成分见表5。

图6 B处夹杂物经扫描电镜视图

对裂纹处进行线扫，结果见图7。对未开裂的晶界处进行线扫，结果见图8。线扫结果显示，晶界处Cr，Ni含量均低于晶粒内部，说明晶界处贫Cr，贫Ni，材料已经敏化。

4 分析

（1）裂纹成因分析。由于法兰在制造过程中带入的高硬度硅酸盐类夹杂物，在锻造过程中该类体积型夹杂物经反复锻制变成细小夹杂物，受到母材金属与高硬度夹杂物之间不同收缩系数的影响，使材料内部产生了沿夹杂物尖端的锻制裂纹。这些裂纹在制造过程中应是埋藏裂纹。锻坯经过机加工后，埋藏裂纹有的变成了表面裂纹，这也是在A，C两处金相图中未发现裂纹起裂点的原因。

（2）裂纹扩展分析。该法兰制造过程中受温高，散热不均，导致心部在敏化温度区间停留过长致使晶粒异常长大，心部晶粒特别粗大，组织不均匀，材料出现敏化现象。同时由于法兰材料中含夹渣物较多，造成材料的晶粒边界聚集较多的低熔点物质，局部晶界产生某些合金元素的富集而达到共晶成分，使局部组织的熔点下降，造成局部晶界弱化。碳化物和制造时带入的氧化物等夹杂物在晶界上分布，进一步减弱了晶界。因此，该法兰的裂纹扩展是在使用过程中受到法兰内应力与外加载荷时，沿着晶界扩展。

表3 B处夹杂物成分

表4 黑色点状夹杂物成分（1）

表5 黑色点状夹杂物成分（2）

图7 裂纹处能谱

图8 开裂晶界处能谱