不锈钢法兰开裂原因分析

 1概述
　　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。

　　2 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。

　　3 裂纹性质分析

　　3.1 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。

　　3.2 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。

　　3.3 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。

　　4 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。
 
　　5 裂纹成因分析
　　5.1 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。

　　5.2 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。
 
　　6 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。