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不锈钢法兰开裂的原因
编辑 : 刘经理 时间 : 2018-09-10 22:47 浏览量 : 53

   新建管道压力试验过程中,对不锈钢法兰泄漏进行分析,传卡专家认为泄漏的主要原因是因为法兰内部埋藏裂纹在试验压力的作用下进一步扩展,直至法兰开裂造成的。而法兰内部产生埋藏裂纹的原因是又是什么呢?   经过实验,发现该法兰锻坯内含有较多的非金属夹杂物,在锻制过程中,使材料内部产生沿夹杂物尖端的锻制裂纹,这些裂纹大多属于埋藏裂纹,法兰机加工成型后,有的埋藏裂纹变成了表面裂纹。   法兰生产厂采取打磨消除表面裂纹、补焊、再次机加工的方法,这样即使表面裂纹消除,内部裂纹依然存在,以至于在承受一定应力后,进一步加剧裂纹扩展,直至法兰泄漏。

不锈钢平焊法兰

某化工装置新建一条工艺管道,在耐压试验过程中,该管道上一处奥氏体不锈钢法兰发生泄漏,致使压力试验中断。该管道主体材质采用奥氏体不锈钢SUS304。现场宏观检查发现,管道安装位置合格,支架布局合理,管道结构正常,符合设计及技术要求。

该管道设计压力为1.6MPA,本次试验压力为2.4MPa,当缓慢升压至0.6MPa时,一处法兰出现了泄漏,耐压试验中断。宏观检查发现,裂纹位于法兰颈部,是一条几乎平行于焊缝的环向裂纹。裂纹断口基本与表面垂直,断口平齐,断口毗邻部位金属未发生明显塑性变形,可排除因超压引起的法兰材料失效。现象表明,法兰泄漏并非因为试验操作不当引起的。

奥氏体不锈钢是石油化工装置中常用的金属材料,但奥氏体不锈钢法兰在压力试验过程中出现开裂是比较少见的。为弄清裂纹产生原因,评价与开裂法兰同批次的其他奥氏体不锈钢法兰的使用性能,有必要对此进行全面分析,并提出此类问题的解决方案。

不锈钢法兰

1 理化分析

首先,对开裂法兰进行了化学成分分析

分析结果表明,该法兰及焊接材料的化学成分均符合相关标准要求。对该法兰颈部外表面及密封面分别进行布氏硬度测试,其布氏硬度测试值符合JB4728-2000标准要求。

在材料化学成分合格、硬度检测合格、管道安装符合技术要求、耐压试验操作规范的前提下,管道法兰在耐压试验过程中开裂,说明产生的缺陷与法兰的内部组织结构或其他未知因素有关。

304法兰

2 裂纹性质分析

2.1 表面裂纹形貌

将该泄漏法兰从管道上切割下来,对其进行全面宏观检查,发现法兰内表面存在裂纹,最长为3mm,宽为0.5mm,裂纹及其附近已经产生锈渍;法兰螺栓孔内表面也发现较多裂纹;法兰密封面及其他位置发现多处非金属夹杂物,个别非金属夹杂物因脱落在法兰密封面表面形成小凹坑,凹坑最大为 2.0mm,最小为 0.8mm,凹坑的边缘有肉眼可见的微小裂纹。

对同厂家、同批次的其他奥氏体不锈钢法兰进行现场宏观检查,发现多件法兰存在不同程度的缺陷,有的法兰外表面存在肉眼可见的明显裂纹。宏观检查结果进一步表明,法兰泄漏与法兰本身因素有关系。

2.2 剖面裂纹形貌

为进一步探求法兰泄漏的真正原因,随机选择一件同厂家、同批次,且密封面上因非金属夹杂物脱落而形成小凹坑的平焊法兰,对其进行解剖,将其分成大小不均的三份,仔细观察其剖面发现,法兰的6个剖面中有4个剖面有肉眼可见的裂纹,裂纹几乎贯穿整个剖面。

选择其中一个剖面,经粗磨、细磨、腐蚀后观察,裂纹更加明显,几乎贯穿了整个剖面。裂纹具有一定的宽度,大多裂纹空隙处噙含黑色非金属夹杂物,其中有一处夹杂物距离法兰密封面约3.0mm,直径约 2.5mm,夹杂物上部至密封面有明显的补焊痕迹,补焊面积约380mm2,补焊深度达3.0mm。

在这条新建的工艺管道上,使用的管道组成件并非是利旧品,而是新购进的产品,在法兰剖面上发现了多处噙含非金属夹杂物的裂纹,可以初步判定:裂纹的产生与大量存在的非金属夹杂物有关。而剖面上的补焊痕迹,却是一种令人费解的、非常不正常的现象。

2.3 金相组织分析

为进一步探求裂纹产生的原因,弄清楚新购买的法兰在组焊到管道上之前是否真的经历了补焊,对法兰剖面裂纹位置进行金相检验。

取1中所述试件,对法兰剖面上有补焊痕迹的位置进行细磨、抛光,在100倍显微镜下观察,裂纹更加清晰,较长的裂纹内部含有体积较大的条状非金属夹杂物(见图2)及剖面上弥散的点状非金属夹杂物;裂纹尖端秃钝,裂纹两侧未见明显异常现象;该处金相组织含枝晶状奥氏体,是典型的奥氏体不锈钢焊接接头组织。

316法兰

3 裂纹性质判定

综合上述法兰裂纹形貌、断口特征、裂纹微观形貌及金相组织分析结果,表明裂纹产生在法兰生产过程中,属于沿夹杂物尖端的锻制裂纹。为了消除法兰表面明显的裂纹,在法兰出厂前确实经历了补焊。

4 裂纹成因分析

4.1 大量存在的非金属夹杂物,是裂纹产生的根源

由于制造法兰的锻坯内存在大量的非金属夹杂物,在锻制过程中,体积型夹杂经反复锻制,变成面积型夹杂,使材料内部产生了沿夹杂物尖端的锻制裂纹。体积较大的夹杂物锻制后变成了尺寸较大的裂纹;体积较小的夹杂物锻制后变成了尺寸较小的微裂纹。这些裂纹大多是埋藏裂纹。

锻坯经过机加工后,埋藏裂纹有的变成了表面裂纹,这就是宏观检查中发现法兰内外表面、螺栓孔内存在较多的微裂纹的原因。对于法兰表面尺寸较大的裂纹,为了能让产品出厂,生产厂家采取了打磨→消除表面裂纹→补焊→再次机加工等手段,使法兰外观上看起来没有明显的缺陷。这就是法兰补焊面积380mm2、补焊深度3mm的原因。

4.2 锻制裂纹在试验压力作用下进一步扩展,致使法兰最终泄漏

大量存在的非金属夹杂物,会降低材料的塑性和韧性,裂纹内部的夹渣使裂纹的尖端产生应力集中,法兰无法承受外加载荷,致使在耐压试验过程中,试验压力刚刚达到0.6MPa,法兰便开裂泄漏。

锻造平焊法兰

5 采取的措施

(1)将所有问题法兰全部更换。

(2)继续查找本装置中使用的同厂家、同批次的其他管件,采用相应检验手段,确认其是否合格。

(3)对新更换的法兰,除了复验其化学成分、力学性能外,还应进行宏观检查,评价其几何尺寸和表面光洁度,并检查是否有非正常几何尺寸不连续处。

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