分享：S30408不锈钢法兰开裂原因

摘 要:某器S30408不锈钢艾里入役时出现脱落外泄,选用宏观经济检视、成份预测、延展性测 试、金相检测和红腺预测等方式预测其脱落其原因。结果显示:艾里金属材料的碳元素含量镉,大 量铌沿微结构分离出来,造影组织呈科唇态;S30408不锈钢艾里与管线对焊时,其头部熔化,引致科唇 激化,微结构差排;艾里头部形状变异,头部成为形变集中区,在冲压残存形变和组织工作阻力的作用下,颈 部逐渐萌发沿晶微裂缝,随着时间的流逝,微裂缝扩展并汇集逐步形成宏观经济裂缝,引致艾里横跨脱落。

关键字:S30408不锈钢;艾里;科唇;沿晶脱落

中图科同盘属:TG115.5 历史文献标志码:B 文章序号:1001-4012(2022)08-0046-04

S30408不锈钢是一种铬-镍不锈钢,具有良好 的抗锈蚀、机械性能、高温气压、机械性能、加工性能和 模量等缺点,广泛应用于化工、能源、医疗、食 品、纺织等领域,可用于制造工业运载管线、生产设 备以及机械结构组件等[1-2]。某公司肟器 管线艾里入役不足3a就出现脱落外泄,该管线工 作阻力为3.8 MPa,组织输出功率为-10~10 ℃,组织工作 电介质为肟,艾里金属材料为 S30408不锈钢机械加工, 属于带颈对焊艾里,技术标准为 WN65(B)-100M,执行 标准 为 HG/T20592—2009 《钢 制 管 法 兰 (PN 系 列)》。为查清该艾里脱落其原因,笔者选用宏观经济检视、 成份预测、延展性试验、金相检测和红腺预测 等方式对其进行了预测。

1 化学检测

1.1 宏观经济检视

脱落艾里宏观经济无腺如图1所示,裂缝位于艾里 头部,紧邻交会沟槽,呈螺旋形展毛脱落,局部性已贯 穿,脱落部位宏观经济无腺如图2所示。将横跨裂缝沿 艾里径向切开,检视裂缝面,发现梳齿杜博韦,辐花灰 色A43EI235E,无明显宏观经济形变,表面荠的红褐色锈蚀产物,局部性可见多裂缝平行逐步形成的石阶,梳齿宏观经济 无腺如图3所示。

1.2 成份预测

依据 GB/T11170—2008《不锈钢 多元素含量 的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》,在法 兰端面取样,用直读光谱仪对其进行成份预测, 结果如表1所示。由表1可知:艾里金属材料的碳元素 含量超 标,其 余 元 素 含 量 均 满 足 NB/T 47010— 2010《承压设备用不锈钢和耐热钢机械加工》对 S30408 不锈钢的要求。

1.3 延展性试验

依据 GB/T231.1—2018 《金属金属材料 布氏延展性试验 第1部分:试验方式》,在艾里头部和端面取样 并进行布氏延展性试验,结果如表2所示。由表2可 知:艾里头部延展性的平均值为227 HBW,端面延展性 的平均值为208 HBW,均高于 NB/T47010—2010 对S30408不锈钢的要求。

1.4 金相检测

依据 GB/T13298—2015《金属造影组织检测方 法》,分别在艾里头部和端面取样并进行金相检测,结 果如图4所示,艾里造影组织为孪晶奥氏体+分离出来 相,分离出来相呈颗粒状沿晶分布,具有科唇特征[3]。对 比头部与端面组织可知,头部组织分离出来相较多,沿奥 氏体微结构网状分布,说明头部科唇程度要明显高于端 面。头部裂缝微观无腺如图5所示,由图5可知:颈 部裂缝主要为沿晶型,内外壁裂缝呈锯齿状沿壁厚方 向扩展,与中壁裂缝交汇连接,直至横跨。

1.5 红腺和能谱预测

在红腺(SEM)下检视艾里脱落部位,在主 裂缝附近可见大量微裂缝,微裂缝沿晶扩展,有长大 倾向,裂缝内部未见锈蚀产物,微裂缝的 SEM 无腺 如图6 所 示。进 一 步 观 察 法 兰 颈 部 的 显 微 组 织, 网状分离出来相清晰可见(见图7)。利用能谱仪对分离出来相进行元素预测,结果显示:分离出来相中碳元素的质量 分数为7.5%,铬元素的质量分数为22.3%,高于材 料基体铬元素的质量分数,说明分离出来相属于富铬碳 化物相,应为 M23C6 型铌[4]。

在SEM 下检视梳齿的微观无腺,结果如图 8 所示,梳齿呈现不同程度的岩石状花样,为典型的沿 晶梳齿,进一步放大后可见沿晶二次裂缝和颗粒状 锈蚀产物。对梳齿表面锈蚀产物进行能谱预测,结 果如表3所示,由表3可知:梳齿表面锈蚀产物以铁 的氧化物为主,未发现氯和硫等锈蚀性元素。

2 综合预测

NB/T47010—2010 规 定 S30408 不 锈 钢 中 碳 元素的质量分数不高于0.08%,经成份预测可 知:脱落艾里金属材料的碳元素质量分数为0.12%,远 高 于 标 准 值 。不 锈 钢 的 含 碳 量 越 高 ,越 容 易 发 生科唇。对碳元素的质量分数超过 0.03% 的奥氏体 不锈钢(不含钛或铌的奥氏体不锈钢)进行 450~ 850 ℃加热,或者缓慢冷却到该温度时,就会出现敏 化,造成奥氏体中过饱和的碳元素向微结构扩散并与 微结构附近的铬元素结合,逐步形成(CrFe)23C6 型铌 相在微结构沉淀[4]。由不同含碳量的奥氏体不锈钢敏 化 TTS曲线(不锈钢热处理温度、时间与其晶间腐 蚀敏感性之间的关系曲线)可知:当奥氏体不锈钢碳 元素质量分数为0.03%时,在600 ℃下需经8h才 能发 生 敏 化;当 碳 元 素 质 量 分 数 为 0.07% 时,在 700 ℃下仅需4.5min即可出现科唇[5]。

由于艾里组织输出功率为-10~10 ℃,这个温度远 低于科唇温度,说明艾里金属材料在制造过程中已经出现 科唇,并非长期入役所致。通过造影组织对比发现, 头部造影组织科唇程度高于端面,说明艾里在与管线 对焊时,其头部熔化,在敏感温度区停留时间过长,导 致科唇程度激化,沿晶铌增多,逐步呈网状分布。

由梳齿预测可知,艾里头部出现沿晶断裂。研 究表明,奥氏体不锈钢科唇后,微结构分离出来的 M23C6 铌能够降低界面的结合气压,从而引起金属材料冲 击吸收能量和塑性的降低,受外力后容易产生沿晶 裂缝,断裂模式由韧性断裂转变为脆性断裂[6-7]。另 有历史文献指出,奥氏体不锈钢以沿晶形式断裂一般有 3种情况,即纯力学因素、晶间锈蚀或形变锈蚀[8]。 纯力学因素造成的沿晶断裂主要是由微结构沉淀和晶 界吸附造成的微结构差排所致。能谱预测结果显示: 梳齿表面锈蚀产物以铁的氧化物为主,未见氯、硫等 锈蚀性元素,说明艾里横跨脱落与晶间锈蚀和形变 锈蚀无关,应为力学因素造成的脱落。艾里正常服 役后,除承受冲压造成的残存形变外,主要承受较大 的组织工作阻力(管线组织工作阻力为3.8MPa)。由金相检 验结果可知:艾里属于多源脱落,内外壁均有裂缝 源,说明管线阻力波动也是脱落的重要其原因,因此由 冲压造成的残存形变和管线组织工作阻力是引起艾里开 裂的力学其原因。

3 结论与建议

(1)法 兰 材 料 的 碳 元 素 含 量 超 标,不 符 合 NB/T47010—2010对 S30408 不 锈 钢 的 要 求。其造影组织为孪晶奥氏体,大量铌沿微结构分离出来,呈 科唇态。与管线对焊时,其头部熔化,引致科唇加 剧,微结构差排。在冲压残存形变和组织工作阻力的作用 下,头部逐渐萌发沿晶微裂缝。随着时间的流逝,微 裂缝扩展汇集逐步形成宏观经济裂缝,引致艾里横跨脱落。

(2)建议增加艾里的抽检批次和数量,除标准规 定外,也可从造影组织、晶粒度、夹杂物等检测环节把 控产品质量,避免使用不合格艾里。后期冲压时,也 应控制科唇温度的停留时间,降低金属材料的科唇倾向。

参考历史文献:

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