摘 要:某奧氏體不銹鋼法蘭在使用過(guò)程中頸部出現(xiàn)開(kāi)裂滲漏現(xiàn)象,通過(guò)材料化學(xué)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(duì) 法蘭開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:法蘭材料碳元素含量超標(biāo),且存在熱加工缺陷,晶界處有大 量析出物,法蘭使用過(guò)程中存在拉應(yīng)力及腐蝕環(huán)境,以上因素共同作用導(dǎo)致法蘭頸部發(fā)生沿晶應(yīng)力 腐蝕開(kāi)裂.

關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼;法蘭;晶界析出物;應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

中圖分類號(hào):TH１３１．９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)１２Ｇ０９０５Ｇ０４

某化工廠在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)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(guò)一系列理化檢驗(yàn)方法以及對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(jìn)建議,以避免類似失效的再發(fā)生.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

宏觀觀察法蘭開(kāi)裂部位可見(jiàn),裂紋呈曲折、斷續(xù) 狀沿法蘭頸圓周分布,法蘭盤處無(wú)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(xì)小,如圖２b)所示.由此可以判 斷,裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展.

１．２ 化學(xué)成分分析

在圖１所示１號(hào)部位處取樣,采用固定式全譜直讀光譜儀分析１號(hào)試樣的化學(xué)成分,結(jié)果見(jiàn)表１. 可見(jiàn)碳元素含量超出標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求,鈦元素含量低 于標(biāo) 準(zhǔn) 技 術(shù) 要 求,其 余 各 元 素 含 量 均 符 合 NB/T ４７０１０－２０１０對(duì)S３２１６８不銹鋼成分含量的要求.

１．３ 金相分析

在圖１中２號(hào)部位處取金相試樣,經(jīng)粗磨、細(xì) 磨、拋光及１０％(體積分?jǐn)?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(píng)定晶粒度 級(jí)別為６．０級(jí),如圖３a)所示;放大１０００倍觀察可 見(jiàn),晶界處存在大量析出物,同時(shí)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(jiàn)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(yīng) 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(hào)金相試 樣,清 晰 可 見(jiàn) 晶 界 處 存 在 大 量 析 出 物, 如圖５所示.在圖１中３ 號(hào) 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(hào) 試 樣 裂 紋 經(jīng) 打 開(kāi) 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(jiàn) 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(jiàn),晶面附著較少腐蝕產(chǎn)物,由此可見(jiàn)裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展,與宏觀分析 結(jié)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(jié) 合 其 金 相 特 征 可 知 該 夾 雜 物 是以 TiN 為 主 的 復(fù) 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(jié) 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(jié)合上述理化檢驗(yàn)結(jié)果及法蘭使用條件進(jìn)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(guān).過(guò)多碳元素,為晶界析出物產(chǎn)生提供物質(zhì)基礎(chǔ), 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(kuò)散能力,很容易擴(kuò)散到晶界與 晶界上的鉻原子結(jié)合,故使晶界上的鉻元素含量下 降,同時(shí)晶內(nèi)的鉻也會(huì)向晶界擴(kuò)散補(bǔ)充,但由于鉻的 擴(kuò)散能力遠(yuǎn)小于碳原子的,難以及時(shí)補(bǔ)充晶界上的 損失,故隨晶界上碳化鉻的不斷析出,當(dāng)鉻元素含量 降到 ＜１２％ (質(zhì) 量 分 數(shù))時(shí),晶 界 就 會(huì) 有 被 腐 蝕 的危險(xiǎn).

(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(guān).

(３)適當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力

圖１０a)是一個(gè)不受力的帶頸法蘭,當(dāng)法蘭受到 內(nèi)部壓力時(shí),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(dòng),導(dǎo)致法蘭 頸產(chǎn)生細(xì)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(guò)程中法蘭頸在加厚過(guò)渡帶區(qū)域,因?yàn)閼?yīng)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(huì)破裂,導(dǎo)致鉆 桿基體與泥漿接觸,腐蝕進(jìn)一步加深,周而復(fù)始,發(fā) 生刺穿失效.

３ 結(jié)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(guò)渡帶消失區(qū)域內(nèi)壁的腐蝕坑底 部;鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中,在交變載荷的作用下加厚過(guò)渡 帶消失區(qū)域由于應(yīng)力集中而在腐蝕坑底部萌生腐蝕 疲勞裂紋,裂紋不斷擴(kuò)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(dāng)降低鉆桿轉(zhuǎn)速,減小鉆桿承受的 旋轉(zhuǎn)彎曲應(yīng)力,也可以提高鉆桿的使用壽命.

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