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摘 要：介绍了某台1000 m3 储氧球罐进出气阀对接法兰发生泄漏后险肇事故处理案例，沧州欧谱分析 了法兰开裂形成原因，对特种设备制造安装监检过程，严格按设计资料监检验收把关的重要性进行 了讨论。 关键词：法兰泄漏处理监检 验收把关 Accident Analysis and Treatment of Spherical Tank CHEN Cui-mei, HUO Zhen （Wuhan Boiler & Pressure Vessel Inspection Research Institute, Wuhan 430015. China） Abstract: A case of how to deal with a valve leakage in flanges of a spherical tank with 1000m3 oxygen capacity are introduced. The reasons of cracks on the flange are introduced. In addition, the analysis discusses the importance of the process for special equipment manufacturing, installation and supervision as well as the necessity to follow strictly from inspection and acceptance checks of the design documents. Key words: flange；leakage processing;；supervision & inspection；acceptance checks 0、引言 在对某公司球罐进行检验时，发现球罐区另一台运行中的1000m3 储氧球罐进出气阀球罐侧对接 法兰连接焊缝边缘发生泄漏，因该球罐区上部是大管径煤气管网，不远处是几座10 万立方米以上的 煤气储柜，一旦发生意外，后果不堪设想。情况万分危急，经立即通知该公司安全、设备、生产等 相关部门，对该设备采取了紧急放散卸压的措施。在卸压过程中，泄漏部位由1 处发展为2 处，且 泄漏部位裂纹有扩展现象。为了保证球罐区的安全和安全生产，企业委托我们对该球罐区其余3 台 1000m3 储氧球罐进出气阀对接法兰进行安全监控，同时对罐区内氧气管道焊口进行无损检测抽查， 并对泄漏原因进行分析，以便对现状作出正确处理。 发生泄漏时，该球罐区投入运行使用时间为一年，罐区内氧气管道主体材质为0Cr18Ni9，设计 压力为2.94MPa。 一、险肇事故处理过程 （1）泄漏发生后启动应急预案，调用消防设施，拉警戒标志，对泄漏发生的储氧球罐进行泄压， 排空，置换； （2）对同一罐区另外3 台1000 m3 储氧球罐进出气阀对接法兰进行不间断监测，均陆续发现表 面裂纹，且裂纹产生部位与发生泄漏的法兰相同，分布在高颈法兰的锥颈小端不连续部位，有多处 裂纹处于发展状态。对罐区内其它氧气管道焊口进行无损检测抽查，未发现超标缺陷，因此确定检 测和分析的重点为进出气阀对接法兰； （3）查设计图纸。设计要求法兰为凹凸型高颈法兰，法兰的材料牌号为0Cr18Ni9，质量等级 为Ⅱ级锻件； （4）调查法兰供货厂家，供货时未提供出厂材质证明书，口头说明法兰出厂为铸件； （5）对泄漏部位开裂法兰进行失效法兰金相组织、断口形貌及成分分析并进行泄漏原因分析； （6）确定整个生产系统的停机时间，进行合格法兰更换，进出气管道现场制作安装，重新进行 现场监测检测、施工验收处理、恢复生产等工作。 二、法兰裂纹成因分析【1】 2.1 金相组织分析 将开裂法兰切割，取裂纹部位与裂纹方向垂直的断面，按标准制成金相试样，腐蚀后进行金相 组织观察，其电子金相组织如图1 所示。 （a） a 点部位 （b） b 点部位 图1 裂纹两侧的金相组织 金相分析显示裂缝两侧均为单一奥氏体组织，奥氏体晶粒大小不均，尺寸大致介于42μm～ 184μm 之间（见图1）。沧州欧谱在奥氏体晶粒内部及晶界处散布有孔洞，尺寸约1.5μm～6.9μm，其中有的孔 洞长达13.3μm～19.2μm，孔洞内有夹杂，如图2 所示。能谱EDS 分析夹杂为Al、Si、Ca 的氧化物， 如图3 和表1、2 所示。 图 2 裂纹两侧基体中孔洞的形貌 （a）a 点部位各元素含量 （b）b 点部位各元素含量 图3 孔洞夹杂的EDS 谱 2.2 利用场发射扫描电镜（SEM）进行裂纹形貌观察、能谱仪进行（EDS）成分分析在裂纹部位 切割取样，锤击打开断口，断口SEM 分析显示断口为沿晶断裂，未观察到韧窝和形变剪切颈，如图 4 所示。 表 2 b 点部位各元素含量% 元素 重量百分比原子百分比 O 37.91 59.99 Al 23.60 22.15 Cr 6.78 3.30 Mn 24.71 11.39 Fe 7.00 3.18 总计 100.00 表 1 a 点部位各元素含量% 元素 重量百分比原子百分比 O 12.57 30.60 Al 1.70 2.45 Si 6.24 8.65 Ca 7.96 7.73 Cr 4.40 3.30 孔洞及夹杂 Mn 39.39 27.92 Fe 27.75 19.35 总计 100.00 （a） （b） 图 4 断口两侧SEM 形貌 100× 裂纹的横断面SEM 形貌观察显示主裂纹位于法兰本体上，主裂纹沿晶界扩展，在主裂纹周边有 细小的沿晶界扩展的支裂纹，如图5 所示。主裂纹两侧基体各300μm 范围内取4 个测量点，点模式 下的EDS 能谱分析表明：基体主要含Cr、Mn、Ni、Fe，各元素的重量百分含量分别为：Cr:9.99wt%～ 12.13wt%；Mn:8.65wt%～10.06wt%；Ni:0～2.58wt%；Fe:75.66wt%～79.75wt%，测量数据见表3， 能谱如图6 所示。 能谱 EDS 分析显示主裂纹处存在Ca、Si、Mg、S 的氧化物，如图7 所示。 2 图5 裂纹横断面的形貌 表3 图6 中a、b、c、d 点部位各元素含量 % 元素 a 点b 点c 点d 点 重量 原子重量 原子 重量 原子 重量 原子 Cr 12.13 12.91 9.99 10.65 10.80 11.51 10.53 11.20 Mn 9.63 9.70 10.06 10.15 8.65 8.72 9.72 9.79 Fe 75.66 74.96 77.75 77.13 78.12 77.48 79.75 79.01 Ni 2.58 2.43 2.20 2.07 2.43 2.30 — — 总计 100.00 100.00 100.00 100.00 支裂纹 1 主裂纹 支裂纹 3 支裂纹 2 （a） a 点部位 （b） b 点部位 （c）c 点部位 （d） d 点部位 图 6 4 个测量点的EDS 谱 （a） （b） 图 7 主裂纹中EDS 分析部位示意图 及对应部位的EDS 谱 2.3 对法兰与焊接熔池能谱EDS 成分分析 能谱 EDS 分析显示，法兰一侧的主要成分为Cr、Mn、Fe、Ni，各元素的重量百分含量见表4， EDS 分析示意见图8（分析部位（a）-（c））。 表 4 析部位（a）-（c）各元素含量% 元素 Cr Mn Ni Fe 含量 10.57-11.28 9.82-10.45 2.26-2.53 75.90-76.87 焊接熔池区的主要成分也为Cr、Ni、Fe、Mn，见图8（分析部位（d）-（f）），各元素的重量百 分含量见表5。与0Cr18Ni9 近似，但含量与法兰明显 表 5 分析部位（d）-（f）各元素含量 % 元素 Cr Ni Fe Mn 含量 18.09-18.81 7.25-9.68 68.96-69.78 3.12-4.17 不同，图8（a）法兰对应部位a 的EDS 谱和图8（d）熔池对应部位d 的EDS 谱见图9，图8 （a）-（c）部位各元素含量（法兰一侧） 见表 6，图8（d）-（f）部位各元素含量（焊接熔池）见表7。 熔池 （a）分析部位a （b） 分析部位b （c） 分析部位c 、、、、 （d） 分析部位d （e） 分析部位e （f） 分析部位f 图 8 EDS 分析部位示意（法兰对应部位和熔池对应部位） （a） 沧州欧谱图 8（a）法兰对应部位a 的EDS 谱 （b） 图 8（d）熔池对应部位d 的EDS 谱 图 9 图8 法兰对应部位a 和熔池对应部位d 的EDS 谱 法兰 a 法兰 b 法兰法兰c c 熔池 e 法兰 法兰 法兰 熔池 d 熔池 f 熔池 熔池 表 6 图8（a）-（c）中部位各元素含量（法兰一侧） % 表 7 图8（d）-（f）中部位各元素含量（焊接熔池） % 三、结果与讨论 3.1 分析结果 通过对上述发生泄漏的法兰裂纹部位金相组织分析、断口观察和能谱分析，以及对法兰与焊接 熔池能谱EDS 成分进行对比分析，得出泄漏原因为： （1）法兰材质与设计要求不符 法兰成分分析表明，各主要合金成分为：Cr 含量约为11%、Ni 含量约为2%、Mn 含量约为10%， 该成份与铬锰系（200 系）奥氏体不锈钢成份相近，为高锰奥氏体不锈钢。而设计要求法兰的材料 牌号为0Cr18Ni9，因此与设计要求不符。 （2）法兰加工状态与设计要求不符 法兰母材金相组织分析表明，法兰为单相奥氏体组织，晶粒粗大，存在大量空洞和非金属杂质， 为典型的铸态组织。而设计要求法兰为Ⅱ级锻件，因此与设计要求不符。 （3）法兰的奥氏体晶粒大小不均，尺 寸大致介乎42μm～184μm 之间，在晶粒内部及晶界处散布有孔洞，尺寸大致在1.5μm～6.9μm， 有部分孔洞长度达13.3μm～19.2μm，孔洞内存在Al、Si、Ca 的氧化物夹杂。 （4）焊接熔池区的主要成分为Cr、Ni、Fe、Mn，各元素的重量百分含量与0Cr18Ni9 近似，耐 蚀性强于法兰。 元素 Cr 图 8 中a 部位图 8 中b 部位图 8 中c 部位 重量 原子 重量 原子 重量 原子% 11.12 11.84 11.28 12.01 10.57 11.26 Mn 10.45 10.53 9.82 9.90 10.29 10.38 Fe 75.90 75.24 76.43 75.76 76.87 76.23 Ni 2.53 2.39 2.47 2.33 2.26 2.14 总计 100.00 100.00 100.00 元素 图 8 中d 部位图 8 中e 部位图 8 中f 部位 重量 原子 重量 原子 重量 原子% Cr 18.81 19.98 18.09 19.25 18.30 19.47 Mn 4.17 4.19 3.27 3.30 3.12 3.15 Fe 69.78 69.02 68.96 68.33 69.21 68.56 Ni 7.25 6.82 9.68 9.12 9.36 8.82 总计 100.00 100.00 100.00 （5）裂纹产生部位为法兰应力集中区域 表面检测表明，所有裂纹均分布在高颈法兰的锥颈小端不连续部位。从高颈法兰的应力分布可知，漆膜划格器http://www.qimohuageqi.com轴向应力的最大值部位为锥颈小端的外表面〔【2】〕；另外高颈法兰锥颈小端在该管道系统中所受的 弯曲应力最大，因该部位为应力集中区域。 （6）高锰奥氏体不锈钢存在低温沿晶脆性问题〔【3】〕 断口分析表明，失效法兰的开裂形式为沿晶脆性断裂，主裂纹周边存在沿晶界向母材扩展的小 裂纹。险肇事故发现的时间是冬季凌晨，当天气温较低，研究资料表明，高锰奥氏体不锈钢存在低 温沿晶脆性问题，在5℃左右开始出现韧—脆转变行为，因此高锰奥氏体不锈钢不适合作为承压设 备的受压元件。 3.2 讨论 这起险肇事故经分析原因、现场处理后，虽然避免了一起重特大灾难事故的发生，但给企业停 机带来的经济损失以及可能造成的事故危害，后果是不堪设想的。 目前，在我国经济迅速发展的同时，一些不规范的企业也得到了相应发展，因受利益驱使，他 们用不合格产品充斥各个领域，本案例法兰失效的主要原因就是进出气阀对接法兰用质量低劣的高 锰奥氏体不锈钢法兰替代所致。这些不合格产品对承压设备的安全运行造成极大的威胁，这应该引 起使用单位、监检单位的足够重视。 通过这一案例可知，如果使用单位专业管理人员和监检人员，在设备安装验收环节，监督法兰 制造单位提供材质证明书、或者对主要受压元件的材质进行复合并现场确认，是否可以杜绝这一险 肇事故的发生呢？因此在特种设备制造安装监检过程中，监检人员严格按设计资料监检验收把关这 一重要环节是不可忽视的，这样才能杜绝不合格产品流入承压特种设备领域，保证特种设备安全运 行。 参考文献： [1] 王秀峰，章惠平. 储氧球罐进出气阀对接法兰开裂情况监控及失效分析工业安全与环保, 2009 年第4 期 [2] 丁伯民，曹文辉. 承压容器.北京：化学工业出版社，2008 [3] 胡本芙，贾成厂. Fe-Cr-Mn（M，V）奥氏体钢的低温韧性.金属学报，2001（7）. |
