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换热器壳侧法兰突然开裂失效的分析
江坚 安源胜
(江苏省特检院江阴分院,江苏江阴214431;华东理工大学化工机械研究所,上海200237)
【摘要】本文对某公司的换热器在水压试验时壳侧法兰突然开裂进行了失效分析。对避免此类事故的再发生提出了预防措施。
【关键词】换热器法兰开裂失效分析
0·前言
镇海炼化检修安装公司制造的一台换热器,设计压力为1.6MPa。在进行水压试验过程中,当压力升至1.0MPa时,换热器靠近接管处的壳侧法兰突然开裂。开裂部位位于法兰直边段与加强段之间的过渡处,开裂长度约为430mm。本文对此换热器壳侧法兰开裂问题进行了失效分析。从宏观断口、扫描电镜断口、化学成分、力学性能、金相组织等方面出发,得到了法兰开裂的根本原因;为避免今后类似事故的发生提出了防范措施和建议。
1·开裂法兰的技术数据
该换热器法兰是采用16Mn材料经环锻而成,按JB4726-94Ⅱ级要求制造验收,供货状态为正火。厂方提供的法兰锻件的化学成分及力学性能分别见表1和表2。
2·法兰开裂的失效分析
2.1宏观断口分析
图1是拍摄到的开裂法兰的宏观断口形貌。从图1可以看到整个断口十分平整,象刀切过一样,断裂面与法兰内表面呈90°,开裂前没有塑性变形的痕迹,开裂位置是在法兰直边段与锥颈段之间。现场还发现法兰直边段与锥颈段之间没有按图纸要求加工出R12的过渡圆弧,说明该处存在较大的应力集中。
根据断口的宏观形貌特征,可以判断法兰开裂属于脆性开裂。这就预示了法兰材料可能存在韧性不足,强度储备不足的问题。而对16Mn这样综合力学性能较好的钢种来说,正常材料的韧性是足以满足该设计压力要求的。由此可以推断,在水压试验过程正常的条件下,法兰材料可能存在问题。
2.2微观断口分析
借助于扫描电镜对开裂法兰进行了微观断口分析,图2是对开裂中间部位靠近开裂法兰内表面处取样拍摄到的断口微观形貌。
从图2可以看出,在断口上呈现了解理断口的河流花样特征。这进一步表明了法兰开裂是脆性开裂。在水压试验压力仅达到规定的试验压力值的一半就出现了法兰开裂,说明材料的韧性明显不足,材料可能存在化学成分或组织上的问题。
2.3化学成分分析
为了检验法兰是否存在化学成分上的问题,对开裂法兰进行取样,进行化学成分检测,检测结果见表3。表3中同时给出了JB4726-94《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中规定的16Mn钢的化学成分和厂方提供的数据,以进行比较。在化学成分检测中仅选取了16Mn钢必须考核的5种元素测量了其含量。
从表3可以看出,测得的化学成分符合技术标准JB4726-94的要求,各元素含量也与厂方提供的数据值接近。这说明法兰材料不存在化学成分上的问题,法兰开裂不是由于化学成分原因导致的。
2.4力学性能测定
为了评价法兰材料的力学性能,对开裂法兰进行取样,进行了拉伸试验和冲击试验。其中,拉伸试样沿周向和轴向分别取样3根;由于材料限制,冲击试样仅沿轴向取样3根。测定结果见表4,表5。表4,表5中同时给出了JB4726-94《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中规定的16Mn钢锻件的力学性能值。
从表4可以看出,法兰材料在周向和轴向上的力学性能值σ0.2、σb、δ5比较接近,仅ψ值相差较大,相差了18%。强度指标σ0.2、σb都在JB4726-94规定的范围内,但σ0.2仅稍高于规定最小值,σ0.2、σb都低于厂方提供的数据,其中σ0.2最大相差18.6%。可见,材料的确存在强度储备不足的问题。
从表5可以看出,测得法兰材料轴向上的冲击功AKV低于JB4726-94规定的最小值,两者相差9.7%;测得AKV更低于厂方数据,按厂方数据的最小值计算,两者相差33.2%。可见材料的冲击韧性明显不足。由此可以断定,材料的韧性较差是导致法兰开裂的主要原因。
2.5金相组织分析
对开裂法兰沿开裂面上法兰径向取样作金相组织分析,图3(a)、(b)分别是靠近法兰内表面和外表面的金相组织。
从图3可以看到,开裂面上靠近法兰内表面上的金相组织呈现带状组织分布,铁素体和珠光体交错成带状排列,方向与断口平行;靠近法兰外表面上的金相组织则带状分布不明显。按照GB/T13299-91“钢的显微组织评定方法”,判定内表面的带状级别为4级,外表面为1级。
16Mn锻件在正火后的金相组织应是细小均匀的铁素体及块状分布的片状珠光体,铁素体与珠光体且应是相互混杂在一起,材料才能具有良好的综合力学性能。开裂法兰材料内表面出现了带状组织,而外表面带状组织不明显。说明材料是在锻造过程中出现了带状组织,在消除带状组织的正火热处理中又没有很好地消除带状组织,最终出现了法兰材料内的这种带状组织分布。
3·结果与讨论
根据金属材料热处理知识,带状组织形成的原因,外为压延,内为钢锭内硫、磷的偏析及夹杂物。因此在锻造过程中,很容易出现带状组织。带状组织会使钢的力学性能产生各向异性,即沿着带状纵向的强度高、韧性好,横向的强度低、韧性差[1]。因此一旦出现了带状组织,就要想办法减轻或消除;这时用退火的方法是不能消除的,而必须采用正火的方法,还要严格控制正火的温度。
有研究表明,以锰为主要元素的合金钢,由于锰元素的枝晶偏析,容易产生带状组织且分布比较严重[2]。16Mn系列钢材,就是属于其中的一类。根据文献[3]的试验结果,带状组织使钢在垂直于带状组织方向上的冲击功仅为平行于带状组织方向上的三分之一。因此,对存在有带状组织的开裂法兰,本身纵向上的冲击韧性就不足,法兰在横向上冲击韧性就将更差。以致于在较低的试验压力下,在应力集中部位就出现了法兰脆性开裂。
4·结论
通过对换热器壳侧法兰开裂的失效分析,得到以下结论:
(1)法兰开裂属于脆性开裂。法兰材料的韧性较差,强度储备不足是造成法兰开裂的主要原因。
(2)通过对法兰材料的化学成分分析得到,法兰材料与设计选材成分基本一致,符合技术标准的规定。法兰开裂不是由于化学成分造成的。
(3)通过对法兰材料的力学性能测定得到,法兰材料的强度指标σ0.2稍高于技术标准规定的最小值,强度储备不足;冲击韧性指标不合格,冲击功低于技术标准规定的最小值和厂方提供的数据。
(4)通过对法兰材料的金相组织分析得到,法兰材料存在着组织分布不均匀,靠近内表面呈带状分布的问题,带方向与断口平行,导致了法兰材料在径向上的韧性在不足的情况下更加恶化,最终造成了法兰在水压试验时开裂。
5·预防措施
针对换热器法兰发生开裂的原因,为了防止类似事故的再次发生,提出以下预防措施:
(1)严格控制法兰在制作加工过程中的每一个环节,包括冶炼、锻造及热处理。
(2)对法兰可能出现应力集中部位的加工要特别注意,严格按照设计要求执行。
(3)加强质量检查。
参考文献:
1.朱红键.浅析影响16MnR容器钢板横向冲击韧性的因素及其改进措施.南钢科技,2001,(4):1-3
2.刘国勋.金属学原理.北京:冶金工业出版社,1980
3.王民方.锻钢件带状组织的分析与热处理.新技术新工艺,2003,(8):32-33
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