摘 要:某奧氏體不銹鋼法蘭在使用過程中頸部出現(xiàn)開裂滲漏現(xiàn)象,通過材料化學成分分析、金 相顯微組織分析、掃描電鏡觀察裂紋斷面微觀形貌及 X 射線能譜分析裂紋斷面腐蝕產(chǎn)物成分,對 法蘭開裂原因進行了分析.結果表明:法蘭材料碳元素含量超標,且存在熱加工缺陷,晶界處有大 量析出物,法蘭使用過程中存在拉應力及腐蝕環(huán)境,以上因素共同作用導致法蘭頸部發(fā)生沿晶應力 腐蝕開裂. 

關鍵詞:奧氏體不銹鋼;法蘭;晶界析出物;應力腐蝕開裂 

中圖分類號:TH１３１．９ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９０５Ｇ０４

某化工廠在生產(chǎn)運營過程中發(fā)現(xiàn)法蘭頸部有液 體滲漏現(xiàn)象,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)法蘭頸部存在沿圓周方向的 裂紋,如圖１所示.此法蘭內(nèi)部介質(zhì)為航空煤油,工 作壓力為２．０MPa,介質(zhì)溫度為４０ ℃,外壁暴露于露 天環(huán)境中,法蘭材料為S３２１６８奧氏體不銹鋼,采用鍛 造成型工藝生產(chǎn),后經(jīng)固溶處理,再加工制造成型. 筆者通過一系列理化檢驗方法以及對檢驗結果進行 分析討論,找出了該不銹鋼法蘭裂紋產(chǎn)生的原因,并 提出了改進建議,以避免類似失效的再發(fā)生.

１ 理化檢驗 

１．１ 宏觀分析 

宏觀觀察法蘭開裂部位可見,裂紋呈曲折、斷續(xù) 狀沿法蘭頸圓周分布,法蘭盤處無裂紋.法蘭頸外 表面裂紋較多且間隙較大,如圖２a)所示;法蘭頸內(nèi) 表面裂紋較少且細小,如圖２b)所示.由此可以判 斷,裂紋由外向內(nèi)擴展. 

１．２ 化學成分分析 

在圖１所示１號部位處取樣,采用固定式全譜直讀光譜儀分析１號試樣的化學成分,結果見表１. 可見碳元素含量超出標準技術要求,鈦元素含量低 于標 準 技 術 要 求,其 余 各 元 素 含 量 均 符 合 NB/T ４７０１０－２０１０對S３２１６８不銹鋼成分含量的要求.

１．３ 金相分析 

在圖１中２號部位處取金相試樣,經(jīng)粗磨、細 磨、拋光及１０％(體積分數(shù))草酸溶液電解浸蝕后, 在金相顯微鏡下觀察[１].法蘭顯微組織為單相奧氏 體,依據(jù) GB/T６３９４－２００２采用比較法評定晶粒度 級別為６．０級,如圖３a)所示;放大１０００倍觀察可 見,晶界處存在大量析出物,同時有硬質(zhì)非金屬夾雜 物分布于晶界或晶內(nèi),如圖３b)所示.

觀察金相試樣裂紋處形貌,可見裂紋主干、分支 明顯,且沿晶發(fā)展,尖端較為銳利,為典型的沿晶應 力腐蝕裂紋形貌,如圖４所示. 

１．４ 掃描電鏡及能譜分析 

使用 QUANTA２００ 掃 描 電 鏡 (SEM)觀 察 ２ 號金相試 樣,清 晰 可 見 晶 界 處 存 在 大 量 析 出 物, 如圖５所示.在圖１中３ 號 部 位 取 樣,用 于 掃 描 電鏡觀察裂 紋 斷 面 微 觀 形 貌 及 能 譜 (EDS)分 析 腐蝕產(chǎn)物成分,３ 號 試 樣 裂 紋 經(jīng) 打 開 后 暴 露 出 裂 紋斷面,在掃描電 鏡 下 觀 察. 圖 ６a)為 法 蘭 頸 外 表面裂紋起始區(qū)斷 口 形 貌,可 見 較 多 腐 蝕 產(chǎn) 物 附 著于斷面,形成網(wǎng)狀 龜 裂 的 “泥 紋 花 樣”. 圖 ６b) 為裂紋 中 部 區(qū) 域 形 貌,呈 現(xiàn) 冰 糖 狀 沿 晶 斷 裂 特 征,晶面 附 著 少 量 腐 蝕 產(chǎn) 物,并 伴 有 二 次 裂 紋. 圖６c)為裂紋尾端形貌,呈現(xiàn)出沿晶斷裂特征,二 次裂紋及多棱平滑晶面清晰可見,晶面附著較少腐蝕產(chǎn)物,由此可見裂紋由外向內(nèi)擴展,與宏觀分析 結果一致. 

能譜分 析 金 相 試 樣 中 硬 質(zhì) 非 金 屬 夾 雜 物 成 分,如圖７ 所 示,結 合 其 金 相 特 征 可 知 該 夾 雜 物 是以 TiN 為 主 的 復 合 夾 雜 物. 圖 ８ 顯 示 晶 界 處 物質(zhì)由 鉻 的 析 出 物 及 腐 蝕 產(chǎn) 物 組 成. 圖 ９ 為 裂 紋表面 腐 蝕 產(chǎn) 物 能 譜 分 析 結 果,其 組 成 元 素 有 氯、硫、氧等 腐 蝕 性 元 素,以 及 鐵、鉻、錳、硅 等 材 料基體元素.

２ 綜合分析 

結合上述理化檢驗結果及法蘭使用條件進行如 下分析. 

(１)敏感的材料 

法蘭顯微組織晶界上存在大量析出物,析出物 的產(chǎn)生與法蘭碳元素含量較高及熱加工工藝制度有 關.過多碳元素,為晶界析出物產(chǎn)生提供物質(zhì)基礎, 在４００~８５０℃的敏化溫度范圍[２],由于碳原子體積 小,在金屬中有較大擴散能力,很容易擴散到晶界與 晶界上的鉻原子結合,故使晶界上的鉻元素含量下 降,同時晶內(nèi)的鉻也會向晶界擴散補充,但由于鉻的 擴散能力遠小于碳原子的,難以及時補充晶界上的 損失,故隨晶界上碳化鉻的不斷析出,當鉻元素含量 降到 ＜１２％ (質(zhì) 量 分 數(shù))時,晶 界 就 會 有 被 腐 蝕 的危險.

(２)特定的腐蝕介質(zhì) 

能譜分析裂紋斷面腐蝕產(chǎn)物,含有氯、硫、氧等 腐蝕性元素及鐵、鉻、錳、鎳、硅等基體元素,腐蝕性 元素的出現(xiàn)與法蘭和大氣環(huán)境直接接觸,雨水的沖 刷及廠區(qū)大氣環(huán)境中存在該類元素有關.

(３)適當?shù)睦瓚?nbsp;

圖１０a)是一個不受力的帶頸法蘭,當法蘭受到 內(nèi)部壓力時,作用到法蘭上產(chǎn)生力矩 M,法蘭盤上 的矩形截面將發(fā)生如圖１０b)所示的轉(zhuǎn)動,導致法蘭 頸產(chǎn)生細微縱向彎曲變形,如圖１０c)(圖中QO 表示 法蘭盤作用給器壁的剪切力,MO 表示法蘭盤作用 給器壁的彎矩)所示,因此法蘭在使用過程中法蘭頸在加厚過渡帶區(qū)域,因為應力集中較為明顯,該區(qū)域 有可能彎曲幅度較大,氧化膜很可能會破裂,導致鉆 桿基體與泥漿接觸,腐蝕進一步加深,周而復始,發(fā) 生刺穿失效.

３ 結論及建議

此次鉆桿刺穿為早期腐蝕疲勞失效,疲勞裂紋 起源于鉆桿加厚過渡帶消失區(qū)域內(nèi)壁的腐蝕坑底 部;鉆桿鉆進過程中,在交變載荷的作用下加厚過渡 帶消失區(qū)域由于應力集中而在腐蝕坑底部萌生腐蝕 疲勞裂紋,裂紋不斷擴展最終造成鉆桿刺穿失效.

建議采用內(nèi)涂層鉆桿,可以有效避免鉆桿基體 與井下介質(zhì)的直接接觸,防止鉆桿內(nèi)壁腐蝕,提高鉆 桿的疲勞壽命;適當降低鉆桿轉(zhuǎn)速,減小鉆桿承受的 旋轉(zhuǎn)彎曲應力,也可以提高鉆桿的使用壽命.

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文章來源——材料與測試網(wǎng)