引言

法兰一般用于零件的转接,便于拆装。法兰配对使用,是通过螺栓紧固在一起。管道法兰材料一般使用Q235,设备法兰材料一般使用20钢、16Mn、304、316、316L。

为了考察存储环境对发动机的影响,将发动机存放在条件相对苛刻的高温高湿的南方海边,5年后检查发现20台设备的出口法兰均存在严重的锈蚀现象,其中14台设备出口法兰同时存在开裂现象。本次开裂法兰所用材料为304不锈钢,由于不锈钢材料具有优异的力学性能和耐蚀性,所以广泛地应用于各种腐蚀环境中,尤其是海洋苛刻的腐蚀环境中,但不锈钢构件及零部件长时间在这种腐蚀环境中使用后其表面腐蚀是不可避免的,在自身所受应力及腐蚀的共同影响下,不锈钢材料除了发生均匀腐蚀外,还会发生严重的应力腐蚀开裂,具有极大的破坏性。

影响不锈钢应力腐蚀两大因素为内因和外因:内因主要包括材料成分及组织状态,外因主要包括使用环境(腐蚀介质浓度、温度)及自身所受应力状态。本研究通过对法兰开裂原因进行分析,找出其发生应力腐蚀的主要原因,为产品在海边存储、延寿提供技术支持。

1 试验过程与分析

1.1 裂纹观察及裂纹断面观察

开裂法兰的宏观形貌见图 1,法兰表面存在严重的锈蚀现象,目视表面可见8条沿径向裂纹,裂纹均未穿透壁厚,8条裂纹在周向上均匀分布,每条裂纹均由多条断续小裂纹组成。

法兰开裂的原因分析

图 1 裂纹宏观形貌

采用机械方法将裂纹打开后观察,裂纹断面凹凸不平,断面附着红褐色锈蚀产物,人工断面呈亮金属色(图 2) 。

法兰开裂的原因分析

图 2 断口宏观形貌

将断面清洗后置于扫描电镜下进行形貌观察和能谱分析,整个裂纹断面均呈沿晶形貌,部分区域可见明显的沿晶二次裂纹,晶面上附着一层腐蚀产物,能谱分析腐蚀产物主要含有O、Fe、Cr和含量较高的S、Cl元素;人工断面呈韧窝形貌,能谱分析主要含有Fe、Cr(19.0%)、Ni(7.1%)、Si(1.0%)、Mn(1.9%)元素(均为质量分数)。断口微观形貌见图 3。以上断口形貌特征表明法兰开裂性质为脆性开裂。

法兰开裂的原因分析

图 3 断口微观形貌

1.2 金相分析及显微硬度测试

在平行裂纹附近取样制备金相试样磨抛后观察,试样上存在多条基本沿径向的微裂纹(图 4) 。

法兰开裂的原因分析

图 4 裂纹形貌

将金相试样浸蚀后观察可见:1) 裂纹均沿晶扩展;2) 基体晶粒大小不均匀,部分晶粒较大(按照GB/T 6394—2002超过00级),部分晶粒相对细小(8.5级),且大晶粒区和小晶粒区间隔分布;3) 晶界上存在网状分布的颗粒状碳化物。

对试样进行硬度测试,结果为HV0.2 234、235、245、237、250,平均值为HV0.2 240,相当于HRC 20.5。

1.3 化学成分分析

在法兰上取样、采取化学法对材料成分进行测试,结果表明法兰所用材料的牌号不符合304不锈钢(相当于国内牌号0Cr18Ni9) 要求,与1Cr17Ni7相符,测试结果详见表 1

法兰开裂的原因分析

图 5 法兰组织形貌

法兰开裂的原因分析

表 1 材料成分分析结果 (质量分数 /%)

2 分析与讨论

出口法兰安装到设备上后在宁波停放了5年,发现20台设备出口法兰中14台出口法兰均存在开裂现象。选择其中一件法兰进行观察,发现其表面存在严重的锈蚀现象,并可见8条明显的径向裂纹,每条裂纹均由多条断续小裂纹组成。裂纹断口观察结果表明裂纹断面凹凸不平,断面附着红褐色锈蚀产物,微观呈沿晶形貌,晶面上附着一层基体腐蚀产物,且腐蚀产物中含有较高的腐蚀性介质S、Cl元素。以上断口形貌特征表明法兰开裂性质为脆性开裂,开裂机理为应力腐蚀。

化学分析结果表明法兰所用材料为1Cr17Ni7,不符合设计牌号304(0Cr18Ni9) 的要求,1Cr17Ni7与304相比,C含量高且Cr、Ni含量低,导致其耐腐性(均匀腐蚀及耐晶间腐蚀)能低。

金相分析结果表明裂纹均沿晶扩展,晶粒大小不均匀,且存在沿晶分布的网状碳化物。大量碳化物的析出造成晶界Cr含量降低[13],贫Cr区的电极电位比晶体内低,在腐蚀介质的作用下,电极电位低的晶界成为阳极而被腐蚀,导致材料的耐晶间腐蚀能力下降[48]

综合分析认为:法兰的开裂模式为应力腐蚀,发生应力腐蚀的原因与以下两个因素有关:1) 法兰所用材料不符合设计要求,用1Cr17Ni7材料代替了304不锈钢,而1Cr17Ni7材料的耐腐蚀及晶间腐蚀性能均比304不锈钢差;2) 1Cr17Ni7基体组织存在沿晶分布的网状碳化物,导致材料的耐晶界腐蚀能力下降。

3 结论

1) 法兰的开裂模式为应力腐蚀。

2) 法兰发生应力腐蚀的原因是由于法兰用1Cr17Ni7代替了设计要求的304不锈钢,而且1Cr17Ni7基体组织存在沿晶分布的网状碳化物,导致材料的耐晶界腐蚀能力下降。

作者: 王影谢国君韩露逄锦程

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