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甘肃法兰厂开裂原因理化分析

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1 不锈钢法兰开裂原因理化分析
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。
2 裂纹性质分析
2.1 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,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,凹坑大为 2.0mm,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。
2.2 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,对其进行剖解,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。
2.3 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。
3 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。
4 裂纹成因分析
4.1 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。
4.2 锻制裂纹在试验压力作用下进一步扩展,致使法兰终泄漏
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。

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