法兰泄漏失效原因分析_张良
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4 综合分析
性能测试结果表明： 化学成分和硬度测试结果均 满足标准要求。
法兰颈上的泄漏裂纹位于法兰与直管现场安装焊 接的环焊缝热影响区上。裂纹剖面的金相分析结果表 明裂纹沿壁厚方向穿透，整条裂纹周围均有轻微脱碳
表 2 裂纹附近的能谱分析（ 质量分数，%） Table 2 Analysis of EDS near the crack
Yang Youcai，Ke Meiwu，Sun Zhigang （ Process Technology Department，Military Branch，Western Henan Industrial Group Co． ，Ltd． ，Nanyang Henan 474678，China）
第 40 卷
图 3 泄漏断口形貌 Fig． 3 Macro appearance of the leak fracture
图 2 硬度测试结果 Fig． 2 Ｒesult of hardness test
2． 3 金相分析 采用 MeF3A 金相显微镜和 MeF4M 金相显微镜及
图像分析系统，依据 GB / T 13298—1991《金属显微组 织检验方法》、GB / T 4335—1984《低碳钢冷轧薄板铁 素体晶粒度测定法》、GB / T 10561—2005《钢中非金属 夹杂物含量的测定方法》及 ASTM E112—1196《金属 平均晶粒度 测 定 方 法 》标 准 对 法 兰 进 行 了 金 相 分 析， 结果表明： 环焊缝内外焊缝组织不同，內焊缝因受外焊 缝焊接时的热影响，晶粒较细，主要为铁素体 + 少量珠 光体，外焊缝较內焊缝晶粒稍粗，主要为针状铁素体 + 多边铁素体 + 少量魏氏铁素体； 热影响区组织主要为 珠光体 + 魏氏铁素体 + 多边铁素体，由于受外焊缝焊 接时的热影响，外焊缝热影响区组织较內焊缝热影响 区组织稍粗，魏氏铁素体偏大，影响材料韧性［4-5］。管 体组织为正常的铁素体 + 珠光体。
图 6 断口表面形貌（ a） 及其能谱图（ b） Fig． 6 Surface appearance （ a） of the fracture and its energy spectrum （ b）
图 7 法兰裂纹附近形貌 Fig． 7 Appearance of flange near the crack
表 1 法兰的化学成分（ 质量分数，%） Table 1 Chemical composition of the flange
（ mass fraction，%）
测试元素 C
Si Mn P
S
Cr Ni Cu
实测值 0． 16 0． 32 1． 58 0． 024 0． 018 0． 038 0． 021 0． 036
第 40 卷 第 4 期 2015 年 4 月
HEAT TＲEATMENT OF METALS
Vol. 40 No. 4 April 2015
7A04 铝合金 T6 处理开裂失效分析
杨有才，柯美武，孙志刚 （ 豫西工业集团有限公司 军品分公司工艺技术部，河南 南阳 474678）
Failure analysis of 7A04 aluminum alloy by T6 heat treatment
标准 0． 13 ～ 0． 20 ～ 1． 20 ～ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 要求 0． 20 0． 60 1． 60 0． 030 0． 020 0． 30 0． 30 0． 25
202
2． 2 硬度测试 在未开裂部位取样，采用 BH 3000 型硬度计，依
据标准 GB / T 231． 1—2009《金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分： 试验方法》对法兰与钢管环焊缝、热影响区 和（ 法兰） 母材的硬度进行测试。结果如图 2 所示，标 准 NB / T 47008—2010《碳素钢和合金钢锻件》中要求 硬度值在 128 ～ 180 HBW 之间（ 不包括焊缝和热影响 区） ，可以看出，法兰硬度值均满足标准要求。
失效铝合金件材料为 7A04，由 120 mm 棒料经
2 成分分析及性能测试
为了分析法兰性能是否满足标准要求，在法兰上 取化学、硬度和金相试样，另外在裂纹处取金相试样和
收稿日期： 2014-10-10 作者简介： 张 良（ 1986—） ，男，硕士，工程师，主要从事油气输送管道 安全评价与失效分析工作，发表论文 10 余篇，联系电话： 029-81887651， E-mail： zhangliang008@ cnpc． com． cn doi： 10． 13251 / j． issn． 0254-6051． 2015． 04． 048
16Mn 钢［1］属于碳锰钢，碳的含量在 0． 16% 左右， 屈服点 等 于 343 MPa （ 强 度 级 别 属 于 343 MPa 级） 。 16Mn 钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必 预热［2］。某 16Mn 钢法兰［3］在运行时发生泄漏，该法 兰依据标准 NB / T 47008—2010《碳 素 钢 和 合 金 钢 锻 件》制造，热处理状态为正火。以下从无损检测、理化 性能测试、裂纹分析、综合分析等方面对法兰泄漏原因 进行分析。
Fe
41． 40
50． 07
50． 93
总量
100． 00
100． 00
100． 00
现象。一般来说，脱碳层的位置与受热面的位置相对 应。这就说明法兰颈上形成裂纹在先，裂纹周围发生 脱碳在后。断口表面颜色灰黑的高温氧化物及裂纹内 部的铁的氧化物正是由于脱碳层生成后被氧化而生成 氧化皮。
一般情况下，法兰在从生产到现场安装投入使用
3． 2 裂纹剖面分析 对裂纹剖面进行金相分析，低倍观察发现： 裂纹贯
穿整个法兰壁厚，深度达 6． 3 mm（ 图 4（ a） ） ，裂纹走向 并不规则，沿壁厚方向弯曲蔓延，在整条裂纹的表面和 主裂纹周围的小裂纹内均夹有物质（ 图 4（ b） ） 。对剖 面进行腐蚀，观察裂纹周围组织情况，可以看出，整条 裂纹周围组织均存在轻微的脱碳现象（ 图 5） ，全脱碳 层显微组织特征是全部为铁素体，半脱碳层是指全脱 碳层以后到心部原始组织处［6］。全脱碳层厚度为 0． 04 mm，半脱碳层厚度为 0． 2 mm。特征是锻件表层的 含碳量较内部明显降低，在高倍组织上表层渗碳体分 数减少（ 法兰母材组织中的珠光体） ，铁素体分数增 加，在力学性能上表层的硬度或强度下降［7］。
Failure analysis of a leak flange
Zhang Liang，Luo Jinheng，Li Jinfeng，Dong Baosheng （ CNPC Tubular Goods Ｒesearch Institute，Xi'an Shaanxi 710077，China） Abstract： The reasons of a leak flange were analysed by magnetic particle inspection，chemical composition analysis，hardness test， metallographic examination and scanning electron microscopy． The results show that the original crack is main reason resulted in flange leakage． The original crack is formed before the mcirostructure decarburization． It is suggested that detecting this original crack by magnetic particle inspection． Key words： flange； leak； decarburization； original crack
（ mass fraction，%）
元素 C
1 7． 81
2 2． 73
3 6． 46
O
33． 85
25． 87
37． 34
Siwenku.baidu.com
2． 37
4． 12
0． 99
P
0． 31
0． 56
0
S
10． 26
7． 79
2． 68
Ca
0． 42
0． 26
0． 32
Cl
0
0． 26
0
Mn
3． 58
8． 33
1． 29
图 4 裂纹剖面分析
（ a） 低倍； （ b） 高倍
Fig． 4 Analysis of crake on section plane
（ a） low magnification； （ b） high magnification
第4 期
张 良，等： 法兰泄漏失效原因分析
203
图 5 脱碳形貌 Fig． 5 Appearance of the decarburization
3 裂纹分析
3． 1 断口低倍分析 将泄漏裂纹打开，观察断口表面，可以看出，断口
表面并不平齐，没有典型的脆性断口特征。断口表面 浅黄色的物质为轻微的氧化产物，清洗过后断口表面 颜色灰黑，这种灰黑色的产物一般为高温氧化所致，无 法彻底清洗。外表面开裂长度为 7 mm，内表面开裂长 度为 4． 5 mm，准确地说，内外表面裂纹均未到达焊趾， 裂纹中部长达 8． 5 mm，直达焊趾。可以判断，裂纹最 先从外表面开裂。
图 1 磁粉检测照片 Fig． 1 Picture of magnetic particle inspection
电镜试样，分析裂纹周围组织及断口形貌。 2． 1 化学分析
采用 AＲL 4460 直读光谱仪，依据 GB / T 223． 13— 2000《钢铁及合金化学分析方法 硫酸亚铁铵滴定法测定 钒含量》对法兰进行化学成分分析，结果如表 1 所示，法 兰化学成分均满足标准要求。
第 40 卷 第 4 期 2015 年 4 月
HEAT TＲEATMENT OF METALS
Vol. 40 No. 4 April 2015
法兰泄漏失效原因分析
张 良，罗金恒，李金凤，董保胜 （ 中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710077）
摘要： 通过磁粉检测、化学成分分析、硬度测试、金相分析和扫描电镜分析等方法对法兰泄漏原因进行了分析。结果表明： 法兰上存 在原始裂纹是法兰泄漏的主要原因。原始裂纹在组织脱碳之前已经形成，建议用磁粉法检测此类原始缺陷。 关键词： 法兰； 泄漏； 脱碳； 原始裂纹 中图分类号： TG404 文献标志码： A 文章编号： 0254-6051（ 2015） 04-0201-04
中图分类号： U214． 8 + 2 文献标志码： B 文章编号： 0254-6051（ 2015） 04-0204-03
批量生产某铝合金件时，在固溶时效后的超声波探 再次发生，对该产品的铝合金件的失效原因进行分析。
伤时，发现部分工件出现明显的宏观裂纹，影响了稳定
生产，造成了较大的经济损失，为防止此类质量事故的 1 失效铝合金件的基本情况
3． 3 断口高倍分析 采用 TESCAN-VEGAⅡ型扫描电子显微镜对断口
进行微观形貌及能谱分析。结果表明，断口表面氧化 产物较多，对断口表面（ 灰黑色） 氧化产物进行能谱分 析，可 以 看 出 断 口 表 面 的 氧 化 产 物 中 铁 含 量 为 41． 32% 、氧含量为 30． 41% （ 图 6） ，可以判断此类氧化 产物为铁的氧化物； 另外，对剖面分析中裂纹附近观察 到的物质进行能谱分析，结果表明，灰色物质主要成分 为铁和氧，含量与断口表面的铁的氧化物类似 （ 图 7 和表 2） ，可以判断裂纹周围灰色物质与断口表面氧化 产物为同一物质，均为铁的氧化物。
1 磁粉检测及宏观分析
磁粉检测主要针对表面缺陷进行判定，采用 CJZ212E 型磁粉检测仪，依据 JB / T 4730． 4—2005《承压设 备无损检测 第四部分： 磁粉检测》对法兰与相邻钢管 （ 包含环焊缝） 的内、外表面进行 100% 磁粉检测，检测 结果表明： 在环焊缝法兰端的热影响区内发现外表面 长度为 7 mm、内表面长度为 4． 5 mm 的轴向裂纹（ 图 1） ，其余位置均无明显异常。
性能测试结果表明： 化学成分和硬度测试结果均 满足标准要求。
法兰颈上的泄漏裂纹位于法兰与直管现场安装焊 接的环焊缝热影响区上。裂纹剖面的金相分析结果表 明裂纹沿壁厚方向穿透，整条裂纹周围均有轻微脱碳
表 2 裂纹附近的能谱分析（ 质量分数，%） Table 2 Analysis of EDS near the crack
Yang Youcai，Ke Meiwu，Sun Zhigang （ Process Technology Department，Military Branch，Western Henan Industrial Group Co． ，Ltd． ，Nanyang Henan 474678，China）
第 40 卷
图 3 泄漏断口形貌 Fig． 3 Macro appearance of the leak fracture
图 2 硬度测试结果 Fig． 2 Ｒesult of hardness test
2． 3 金相分析 采用 MeF3A 金相显微镜和 MeF4M 金相显微镜及
图像分析系统，依据 GB / T 13298—1991《金属显微组 织检验方法》、GB / T 4335—1984《低碳钢冷轧薄板铁 素体晶粒度测定法》、GB / T 10561—2005《钢中非金属 夹杂物含量的测定方法》及 ASTM E112—1196《金属 平均晶粒度 测 定 方 法 》标 准 对 法 兰 进 行 了 金 相 分 析， 结果表明： 环焊缝内外焊缝组织不同，內焊缝因受外焊 缝焊接时的热影响，晶粒较细，主要为铁素体 + 少量珠 光体，外焊缝较內焊缝晶粒稍粗，主要为针状铁素体 + 多边铁素体 + 少量魏氏铁素体； 热影响区组织主要为 珠光体 + 魏氏铁素体 + 多边铁素体，由于受外焊缝焊 接时的热影响，外焊缝热影响区组织较內焊缝热影响 区组织稍粗，魏氏铁素体偏大，影响材料韧性［4-5］。管 体组织为正常的铁素体 + 珠光体。
图 6 断口表面形貌（ a） 及其能谱图（ b） Fig． 6 Surface appearance （ a） of the fracture and its energy spectrum （ b）
图 7 法兰裂纹附近形貌 Fig． 7 Appearance of flange near the crack
表 1 法兰的化学成分（ 质量分数，%） Table 1 Chemical composition of the flange
（ mass fraction，%）
测试元素 C
Si Mn P
S
Cr Ni Cu
实测值 0． 16 0． 32 1． 58 0． 024 0． 018 0． 038 0． 021 0． 036
第 40 卷 第 4 期 2015 年 4 月
HEAT TＲEATMENT OF METALS
Vol. 40 No. 4 April 2015
7A04 铝合金 T6 处理开裂失效分析
杨有才，柯美武，孙志刚 （ 豫西工业集团有限公司 军品分公司工艺技术部，河南 南阳 474678）
Failure analysis of 7A04 aluminum alloy by T6 heat treatment
标准 0． 13 ～ 0． 20 ～ 1． 20 ～ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 要求 0． 20 0． 60 1． 60 0． 030 0． 020 0． 30 0． 30 0． 25
202
2． 2 硬度测试 在未开裂部位取样，采用 BH 3000 型硬度计，依
据标准 GB / T 231． 1—2009《金属材料 布氏硬度试验 第 1 部分： 试验方法》对法兰与钢管环焊缝、热影响区 和（ 法兰） 母材的硬度进行测试。结果如图 2 所示，标 准 NB / T 47008—2010《碳素钢和合金钢锻件》中要求 硬度值在 128 ～ 180 HBW 之间（ 不包括焊缝和热影响 区） ，可以看出，法兰硬度值均满足标准要求。
失效铝合金件材料为 7A04，由 120 mm 棒料经
2 成分分析及性能测试
为了分析法兰性能是否满足标准要求，在法兰上 取化学、硬度和金相试样，另外在裂纹处取金相试样和
收稿日期： 2014-10-10 作者简介： 张 良（ 1986—） ，男，硕士，工程师，主要从事油气输送管道 安全评价与失效分析工作，发表论文 10 余篇，联系电话： 029-81887651， E-mail： zhangliang008@ cnpc． com． cn doi： 10． 13251 / j． issn． 0254-6051． 2015． 04． 048
16Mn 钢［1］属于碳锰钢，碳的含量在 0． 16% 左右， 屈服点 等 于 343 MPa （ 强 度 级 别 属 于 343 MPa 级） 。 16Mn 钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必 预热［2］。某 16Mn 钢法兰［3］在运行时发生泄漏，该法 兰依据标准 NB / T 47008—2010《碳 素 钢 和 合 金 钢 锻 件》制造，热处理状态为正火。以下从无损检测、理化 性能测试、裂纹分析、综合分析等方面对法兰泄漏原因 进行分析。
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50． 07
50． 93
总量
100． 00
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现象。一般来说，脱碳层的位置与受热面的位置相对 应。这就说明法兰颈上形成裂纹在先，裂纹周围发生 脱碳在后。断口表面颜色灰黑的高温氧化物及裂纹内 部的铁的氧化物正是由于脱碳层生成后被氧化而生成 氧化皮。
一般情况下，法兰在从生产到现场安装投入使用
3． 2 裂纹剖面分析 对裂纹剖面进行金相分析，低倍观察发现： 裂纹贯
穿整个法兰壁厚，深度达 6． 3 mm（ 图 4（ a） ） ，裂纹走向 并不规则，沿壁厚方向弯曲蔓延，在整条裂纹的表面和 主裂纹周围的小裂纹内均夹有物质（ 图 4（ b） ） 。对剖 面进行腐蚀，观察裂纹周围组织情况，可以看出，整条 裂纹周围组织均存在轻微的脱碳现象（ 图 5） ，全脱碳 层显微组织特征是全部为铁素体，半脱碳层是指全脱 碳层以后到心部原始组织处［6］。全脱碳层厚度为 0． 04 mm，半脱碳层厚度为 0． 2 mm。特征是锻件表层的 含碳量较内部明显降低，在高倍组织上表层渗碳体分 数减少（ 法兰母材组织中的珠光体） ，铁素体分数增 加，在力学性能上表层的硬度或强度下降［7］。
Failure analysis of a leak flange
Zhang Liang，Luo Jinheng，Li Jinfeng，Dong Baosheng （ CNPC Tubular Goods Ｒesearch Institute，Xi'an Shaanxi 710077，China） Abstract： The reasons of a leak flange were analysed by magnetic particle inspection，chemical composition analysis，hardness test， metallographic examination and scanning electron microscopy． The results show that the original crack is main reason resulted in flange leakage． The original crack is formed before the mcirostructure decarburization． It is suggested that detecting this original crack by magnetic particle inspection． Key words： flange； leak； decarburization； original crack
（ mass fraction，%）
元素 C
1 7． 81
2 2． 73
3 6． 46
O
33． 85
25． 87
37． 34
Siwenku.baidu.com
2． 37
4． 12
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P
0． 31
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10． 26
7． 79
2． 68
Ca
0． 42
0． 26
0． 32
Cl
0
0． 26
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Mn
3． 58
8． 33
1． 29
图 4 裂纹剖面分析
（ a） 低倍； （ b） 高倍
Fig． 4 Analysis of crake on section plane
（ a） low magnification； （ b） high magnification
第4 期
张 良，等： 法兰泄漏失效原因分析
203
图 5 脱碳形貌 Fig． 5 Appearance of the decarburization
3 裂纹分析
3． 1 断口低倍分析 将泄漏裂纹打开，观察断口表面，可以看出，断口
表面并不平齐，没有典型的脆性断口特征。断口表面 浅黄色的物质为轻微的氧化产物，清洗过后断口表面 颜色灰黑，这种灰黑色的产物一般为高温氧化所致，无 法彻底清洗。外表面开裂长度为 7 mm，内表面开裂长 度为 4． 5 mm，准确地说，内外表面裂纹均未到达焊趾， 裂纹中部长达 8． 5 mm，直达焊趾。可以判断，裂纹最 先从外表面开裂。
图 1 磁粉检测照片 Fig． 1 Picture of magnetic particle inspection
电镜试样，分析裂纹周围组织及断口形貌。 2． 1 化学分析
采用 AＲL 4460 直读光谱仪，依据 GB / T 223． 13— 2000《钢铁及合金化学分析方法 硫酸亚铁铵滴定法测定 钒含量》对法兰进行化学成分分析，结果如表 1 所示，法 兰化学成分均满足标准要求。
第 40 卷 第 4 期 2015 年 4 月
HEAT TＲEATMENT OF METALS
Vol. 40 No. 4 April 2015
法兰泄漏失效原因分析
张 良，罗金恒，李金凤，董保胜 （ 中国石油集团石油管工程技术研究院，陕西 西安 710077）
摘要： 通过磁粉检测、化学成分分析、硬度测试、金相分析和扫描电镜分析等方法对法兰泄漏原因进行了分析。结果表明： 法兰上存 在原始裂纹是法兰泄漏的主要原因。原始裂纹在组织脱碳之前已经形成，建议用磁粉法检测此类原始缺陷。 关键词： 法兰； 泄漏； 脱碳； 原始裂纹 中图分类号： TG404 文献标志码： A 文章编号： 0254-6051（ 2015） 04-0201-04
中图分类号： U214． 8 + 2 文献标志码： B 文章编号： 0254-6051（ 2015） 04-0204-03
批量生产某铝合金件时，在固溶时效后的超声波探 再次发生，对该产品的铝合金件的失效原因进行分析。
伤时，发现部分工件出现明显的宏观裂纹，影响了稳定
生产，造成了较大的经济损失，为防止此类质量事故的 1 失效铝合金件的基本情况
3． 3 断口高倍分析 采用 TESCAN-VEGAⅡ型扫描电子显微镜对断口
进行微观形貌及能谱分析。结果表明，断口表面氧化 产物较多，对断口表面（ 灰黑色） 氧化产物进行能谱分 析，可 以 看 出 断 口 表 面 的 氧 化 产 物 中 铁 含 量 为 41． 32% 、氧含量为 30． 41% （ 图 6） ，可以判断此类氧化 产物为铁的氧化物； 另外，对剖面分析中裂纹附近观察 到的物质进行能谱分析，结果表明，灰色物质主要成分 为铁和氧，含量与断口表面的铁的氧化物类似 （ 图 7 和表 2） ，可以判断裂纹周围灰色物质与断口表面氧化 产物为同一物质，均为铁的氧化物。
1 磁粉检测及宏观分析
磁粉检测主要针对表面缺陷进行判定，采用 CJZ212E 型磁粉检测仪，依据 JB / T 4730． 4—2005《承压设 备无损检测 第四部分： 磁粉检测》对法兰与相邻钢管 （ 包含环焊缝） 的内、外表面进行 100% 磁粉检测，检测 结果表明： 在环焊缝法兰端的热影响区内发现外表面 长度为 7 mm、内表面长度为 4． 5 mm 的轴向裂纹（ 图 1） ，其余位置均无明显异常。