分享：00Cr17Ni14Mo2钢法兰裂纹的产生原因
(西南实验检测中心,重庆 401120)
摘 要:某00Cr17Ni14Mo2钢法兰在拆除后,准备进行焊接并二次利用时发现裂纹。采用宏观 观察、化学成分分析、金相检验、断口分析及力学性能测试等方法,对该法兰产生裂纹的原因进行分 析。结果表明:该法兰的开裂性质为应力腐蚀开裂,裂纹主要发生在受拉应力最大的部位;该法兰 的碳元素含量过高,使材料的耐腐蚀性能降低,最终导致法兰产生裂纹。
关键词:00Cr17Ni14Mo2钢;法兰;耐腐蚀性能;应力腐蚀开裂 中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)11-0069-03
00Cr17Ni14Mo2钢是一种超低碳奥氏体不锈 钢,焊接性能良好,对亚硫酸、磷酸、亚硫酸盐均有良 好的耐腐蚀性,一般用于制造化工、工业设备。某公 司外购一成品法兰用于磷酸+磷铵装置的连接管道 中,该法兰的材料为00Cr17Ni14Mo2钢,在进行焊 接并准备二次利用时发现法兰产生了裂纹。笔者采 用宏观观察、化学成分分析、金相检验、断口分析及 力学性能测试等方法,对该法兰产生裂纹的原因进 行分析,以避免该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
开裂法兰的宏观形貌如图1所示。由图 1 可 知:裂纹位于连接孔内侧,沿径向呈十字线分布,在 法兰面开口较宽,焊缝一侧较为纤细,裂纹从法兰面 向焊缝一侧扩展,已贯穿法兰厚度;焊缝一侧两连接 孔外侧亦有裂纹,裂纹扩展方向一致;连接孔外侧裂 纹尾端有分支,呈“人”字形断续扩展。 将该法兰沿裂纹处人工打开,观察断口形貌,结 果如图2所示。由图2可知:裂纹断面较平齐,被淡 绿色附着物覆盖,断口附近未见宏观塑性变形痕迹; 人工撕开区域呈金属光泽。
1.2 化学成分分析
对开裂法兰取样进行化学成分分析,结果如表 1所 示。由 表 1 可 知,该 法 兰 的 碳 元 素 含 量 超 出 GB/T1220—2007 《不锈钢棒》对00Cr17Ni14Mo2 钢的要 求,其 他 各 元 素 含 量 均 符 合 GB/T1220— 2007的要求。
1.3 断口分析
用 Quanta250型扫描电镜(SEM)观察断口,结 果如图3所示。由图3可知:断口绝大部分被附着 物覆盖,无法分辨形貌,裂纹扩展的尾端可见沿晶断口和沿晶界分布的二次裂纹;面积极小的人工撕开 区域断口为韧窝形貌。
用能谱仪(EDS)对断口表面的附着物进行分 图4 断口表面附着物的 EDS分析结果 析,结果如图4所示,可见附着物中除了金属基体元素外,主要含有氧、磷等元素。 1.4 金相检验 在开裂法兰断口处纵向截取金相试样,经磨制、 抛光后,按照 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂 物含量的测定 标准评级图显微检验法》进行非金属 夹杂 物 评 级,结 果 为 A1.5 级,B1 级,C1.5 级, D1级。 将试样经三氯化铁+盐酸+乙醇溶液侵蚀后, 观察试样的显微组织形貌,结果如图5所示。由图 5可知:试样基体组织为奥氏体+沿晶分布的碳化 物;内孔表面有向焊缝部位扩展延伸的树枝状裂纹, 尾部有明显的分叉,呈典型的应力腐蚀开裂特征[1], 主裂纹及裂纹尾部两侧均可见较多沿晶界分布的二 次细裂纹。
1.5 力学性能测试
对开裂法兰取样进行力学性能测试,结果如表 2所示。 由 表 2 可 知,该 法 兰 的 硬 度 高 于 GB/T 1220—2007的 要 求,抗 拉 强 度 符 合 GB/T1220— 2007的要求。
2 综合分析
由宏观观察和断口分析结果可知,该开裂法兰 发生了应力腐蚀开裂。该法兰的使用环境为磷酸+ 磷铵,断口上含有大量的氧、磷元素,因此判定该裂 纹为应力腐蚀裂纹。应力腐蚀开裂是金属零件在应 力(施加的外应力或残余应力)和腐蚀介质的作用下 所引发的开裂[2]。 由化学分析结果可知,该开裂法兰的碳元素含 量严重超标。碳元素含量过高使材料的耐腐蚀性能 降低,材料容易在拉应力及腐蚀介质的共同作用下 发生应力腐蚀开裂。 法兰与管道的连接方式是将管子插入法兰内孔 的适当位置,然后进行搭焊。在该状态下,法兰在 90°十字线方向上受到的拉应力最大,此处局部微区 产生滑移台阶,破坏了表面的保护膜,露出了新鲜的 合金表面。在滑移台阶附近的滑移带上,堆积了大 量的位错,少量合金元素和杂质原子在滑移带上析 出,使得滑移台阶附近的金属活化,成为了电化学腐 蚀的阳极,保护膜未破裂区成为了阴极,并在特定的 弱腐蚀介质中,发生电化学腐蚀[3]。应力腐蚀开裂 的产生条件是材料受小应力的机械作用、有滑移台 阶和电化学阳极,而腐蚀的本质是化学作用。因此, 该法兰拉应力最大处满足机械-电化学反应假设理 论,极易产生应力腐蚀裂纹,该法兰裂纹主要发生的 位置也与之对应。磷酸与磷铵为敏感应力腐蚀介 质,该环境条件易使 Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢发生电 化学腐蚀。
3 结论与建议
该法兰的开裂性质为应力腐蚀开裂,产生原因 为:法兰中的碳元素含量过高,降低了材料的耐腐蚀 性能,促使法兰发生应力腐蚀开裂;材料在服役中存 在装配应力和残余应力,服役环境符合产生应力腐 蚀的介质条件。 建议选择合适的材料和装配措施,降低零件的 装配应力,切勿强迫装配。使用时,法兰间用衬垫密 封好,避免与腐蚀介质直接接触.
