朱结成

中国石化宁波工程公司，浙江宁波315103

不锈钢法兰开裂问题分析

朱结成

中国石化宁波工程公司，浙江宁波315103

法兰开裂失效不仅导致机械设备不能正常运行，还将危及工业生产和生命财产的安全，因而分析法兰开裂的原因具有重要的意义。某工程项目在建设过程中出现了法兰批次开裂失效。经排查，此批失效法兰属于相同规格，却不同炉批号。通过采用化学成份分析、表面探伤、断口观察、铁素体检测、金相分析和晶间腐蚀试验等多种方法进行排查和分析，可以得出：法兰开裂失效的主要原因是由制造过程中模具的选择和制造工艺不当造成的，并提出了相应的防范措施。

开裂失效；金相；铁素体；奥氏体

美国杜邦公司的一份调研报告显示，超过55.2%的不锈钢失效是由腐蚀引起的，而局部腐蚀占了腐蚀失效的一半以上，这包括点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等[1]。事实上，许多失效事故是可以通过合理选择材料和加工工艺来避免的。合金元素（特别是钼或硅元素）含量高的奥氏体不锈钢锻造工艺较为复杂，因其热导率低，膨胀系数大，加工硬化效应明显，锻造时形变阻力很大，锻造加热时需缓慢进行。若对法兰的锻造比及终锻温度不能进行有效控制，将会产生内应力大和铁素体含量增加等问题，从而产生裂纹等缺陷[2]。本文描述的缺陷是由制造过程中遗留下来的非多发性缺陷，往往带有更多的偶然性。

1 开裂失效概况

某石化厂在建设过程中新采购一批法兰，在焊接施工过程中，焊工发现有一个法兰内侧有裂纹，焊道打磨后也发现了裂纹，经渗透检测，部分为贯穿性裂纹，检查质保文件，其炉批号和现场实物一致。根据此炉批号进行排查，发现同一炉批号共计46件，规格为DN150、300LB、CLASS A级，设计材质为022Cr19Ni10，属于奥氏体不锈钢。

2 法兰开裂失效的原因分析

本批次法兰的缺陷全部出现在法兰端部附近，且部分法兰已经焊接安装完成。因法兰开裂失效危害很大，为此对其开裂失效的原因进行分析。

2.1 化学成分分析

化学成份分析主要检验法兰材料的主要化学成份含量是否满足标准要求。分别在此批次法兰取样进行化学成份分析。表1列出了开裂失效法兰的化学成份和不锈钢标准（JB 4728）化学成分，对照可确认该批法兰的化学成分符合022Cr19Ni10不锈钢的要求，未见异常。

2.2 表面探伤和宏观检查

从管道上割下法兰，通过PT检测，可以清楚地看到内壁的裂纹，焊道打磨后也发现了裂纹。图1为法兰内侧的裂纹，图2为法兰外侧焊道打磨后的裂纹。裂纹均靠近与管道连接的端面。

表1 化学成分分析（022Cr19Ni10）

图1 法兰内侧裂纹

图2 法兰外侧裂纹

在法兰外部可观察到的裂纹附近，将法兰沿壁厚方向剖开，可发现内部有纵向的层状裂纹，该处裂纹也十分靠近法兰端面，如图3和图4所示，其他部位未见裂纹缺陷。

图3 纵向层状裂纹

图4 纵向层状裂纹

2.3 法兰的断口分析

通过宏观上用肉眼或者低倍放大镜观察断口样本的形貌特征，再通过对关键部位的细微观察，初步确定出法兰开裂的性质以及产生开裂的位置与裂纹扩散的方向；其次利用金相显微镜将样本的断口进行高倍放大观察，重点是观察裂纹部位，对宏观观察的开裂信息进行核实验证，从而更加精确地分析法兰开裂的裂源位置、走向以及裂纹扩散速度等[3]。沿着图1所示的法兰内侧裂纹将其掰开，得到一块试样的断口，如图5所示。从形貌上看，已明显发生氧化。图6为断口的能谱分析图，可以看出氧含量很高，说明断口上覆盖有氧化物。

图5 断口样本

2.4 铁素体检测

在法兰的切面处用铁磁法进行铁素体含量检测，从焊接接头的坡口处到密封面处其含量呈梯度分布，如图7所示。说明由于锻打模具尺寸和终锻温度偏低的原因，造成坡口处硬化相对严重导致奥氏体向铁素体的转变。

图6 断口能谱分析图

图7 铁素体含量分布/%

2.5 金相分析

通过低倍放大镜的宏观分析来判断法兰材料内是否含有气泡、疏松、白点或者缩孔等缺陷，再通过高倍放大镜的微观分析，就可以观察到这些异金属微观组织内部的各种情况，从而为法兰开裂失效的原因分析提供参考依据[4]。

将接管法兰整体剖开，分别在不同的位置取样（如图8所示），标记为1#，2#，3#，4#。1#取在靠近接管的端部，其剖面上有纵向的分层裂纹，分别观察纵向剖面和横向剖面金相；2#取在法兰中部，3#取在法兰螺栓孔附近，分别观察其纵向剖面金相；4#取在靠近接管的端面，对其进行固溶处理后观察纵向剖面金相。

将1#试样剖面磨成金相试样，图9为试样低倍形貌，最宽处大约0.4 mm。

图10为1#试样在草酸溶液中侵蚀后的金相图（×100），图11为1#试样在草酸溶液中侵蚀后的金相图（×200）。

从放大100和200倍的金相图上可以看到，奥氏体晶界上覆盖着一些细条状铁素体，1#试样的铁素体较为细长，裂纹沿着细长的铁素体开裂和延伸。

图8 法兰取样剖面

图9 低倍形貌

图10 1#×100

图11 1#×200

将1#试样中与剖面相垂直的横截面制成金相试样分别进行侵蚀前、后的金相观察。图12的金相图显示，材料内部有少许夹杂物。断口氧化层能谱分析表明：Si含量较多，应属于C类1级夹杂物和D类1级夹杂物（根据GB/T 10561-2005），对法兰开裂没有影响。侵蚀后的金相观察表明：铁素体仍然是细长形状，分布在奥氏体之间，没有观察到裂纹。

图12 侵蚀后的1#试样横截面

根据上述观察和分析，裂纹起源于条状铁素体和奥氏体晶界间，但这种裂纹很细小，是微观上才能观察到的程度，但法兰端部的裂纹宽度有0.4 mm，这个已经是宏观裂纹。

2#试样和3#试样的金相分析显示：试样存在部分夹杂物，但未发现裂纹缺陷，分布在奥氏体之间的铁素体呈条状，且细长短小，表明这部分锻造充分。

4#试样的取样部位与1#试样的高度相近，将其在1 050℃下保温1 h，然后用水冷进行固溶处理。金相观察发现，4#试样中的铁素体的长短、大小与1#试样的十分类似，可以初步判断该法兰在加工时已经进行了固溶处理。

2.6 晶间腐蚀试验

在法兰靠近螺栓孔的端面底部取样，进行不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验，其主要目的是对法兰材质在硫酸-硫酸铜溶液中的晶间腐蚀倾向进行金相判断。试验方法依据GB/T 4334.5-2000《不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法》规定的试验方法进行，保持微沸16 h，试验结果用弯曲方法金相评定。图13是晶间腐蚀实验后弯曲试样，从此试样上观察，没有看到裂纹出现，结合前述4#试样做过的固溶处理，更有力地证明了法兰在出厂之前是进行过固溶处理的，所以端面的裂纹并不是由腐蚀引起的。

图13 晶间腐蚀实验后弯曲表面情况

3 综合分析

根据现场裂纹的形态和金相分析，对此开裂缺陷进行综合分析。靠近法兰端面处有宏观裂纹，这些裂纹应该是在锻造制造过程中的折叠缺陷形成的。另外从金相上也发现铁素体相和奥氏体相的晶界间，沿着铁素体有微观的裂纹，这些微观裂纹和条状铁素体、立面奥氏体的性质以及法兰的锻造工艺有关联。

（1）铁素体和奥氏体在热加工时的动态软化机制不同。在相同的高温条件下铁素体以恢复为主，奥氏体以再结晶为主。另一方面，高温下铁素体的强度也比奥氏体低很多，热加工时二者的再结晶速度也不同，这些差异导致了材料在热加工变形时，两相之间互相牵制，相界面会产生内应力。在锻造过程中，在法兰端的温度更低，从而在拉应力作用下于条状铁素体晶界上产生了裂纹。随着温度的降低与应变速率的增高，材料的强度升高，塑性降低，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感。法兰在加工时，每结束一道工序，都会有一个降温过程，再进行下一道工序前又重新升温。在降温过程中，因二者的动态软化作用受到更多的抑制，进而导致裂纹形核。

（2）奥氏体不锈钢沿晶间界面裂纹主要有三种可能。其一，晶界沉淀和晶间吸附造成的晶界脆化，在应力作用下产生硬拉裂纹；其二，相间的晶间腐蚀；其三，应力腐蚀。后两种都需要达到敏化温度条件，并且需要时间。此批次裂纹失效法兰处在工程建设阶段，尚未投入生产，因此产生的裂纹原因更有可能是第一种情况。从金相分析中也可看出，微观裂纹的形状有明显主干，且沿铁素体细线方向延伸，这也符合第一种原因的机理。

（3）根据法兰的制造工艺，在冲孔完成后，有一个局部拔长锻造的过程；从法兰的结构看，端面要比另一端薄很多，且与空气的接触面积大，因而冷却速度快，此处产生的相间拉力最大，因此端面比另外一个端面更容易出现裂纹。而且由于较薄段的变形过大，终锻温度偏低，导致铁素体含量增加，给裂纹的产生也创造了一定的条件。

（4）从裂纹断口分析来看，整个裂纹的表面已严重氧化。按发货时间推断，此批法兰在常温环境下不会氧化至此程度，这说明裂纹在锻造过程中已经出现。法兰焊接时，热影响区的晶粒粗大，热应力也很大，会加剧附近裂纹的扩展，有可能形成贯穿性的裂纹。

4 结束语

通过前述对法兰失效原因的分析，可以得出该批法兰失效是由于锻造时工艺不当造成折叠缺陷最终导致失效。因此建议在法兰制造过程中，根据不同的法兰规格和不同的制造工艺，选择合理的模具使之留有适宜的加工裕量，同时，要控制终锻温度和成型次数，以保证产品的最终质量。

[1]A·约翰·塞德赖克斯.不锈钢的腐蚀[M].吴剑，译.北京：机械工业出版社，1986.

[2]徐尚平，赵洲城.奥氏体不锈钢锻造工艺分析与研究[J].汽车工艺与材料，1997（12）：7-9.

[3]王永勤.高温高压换热器法兰开裂失效研究[D].西安：西安石油大学，2014.

[4]江坚，安源胜.换热器壳侧法兰开裂失效分析[J].石油和化工设备，2006，9（5）：33-35.

Cracking analysis ofstainless steelflange

ZHU Jiecheng
Sinopec Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo 315103，China

Flange cracking failure not only leads to abnormal operation of mechanical equipment，but also threatens the safety of industrial production，property and life.So，analyzing the reasons of flange cracking is of great importance.In the construction process of a certain project，there are cracking failures found in a batch of flanges which belong to diferent furnace batch numbers but having the same specification.By using chemical composition analysis，dye penetrant flaw testing，fracture observation，ferrite content test，metallographic analysis and intergranular corrosion test，etc.，it is concluded that the main reasons of the flange cracking are improper mould selection and improper manufacturing process.And some corresponding preventive measures are also put forward in this paper.

cracking failure；metallographic phase；ferrite；austenite

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.013

朱结成（1976-），男，浙江金华人，工程师，1998年毕业于西安交通大学化工设备与机械专业，长期在石油、石化行业从事工程项目施工安装和管理工作。Email：zhujch.snec@sinopec.com

2016-12-07；

2017-01-07