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过滤器法兰变形失效分析
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Author:hanxin
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Published time: 2016-01-28
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过滤器法兰变形失效分析
摘要：由于过滤器法兰变形，导致过滤器密封不严，无法正常使用。本文通过宏观、微观检测，化学成分检测，冲击性能检测等方法对过滤器法兰变形的原因进行分析。通过分析发现，变形主要是由于法兰的内部组织不均匀，同一法兰的不同部位金相显微组织相差较大，使组织内产生内应力，应力在缓慢松弛和再分布的过程中使法兰产生变形。
关键词：法兰变形失效分析魏氏组织
过滤器法兰主要起密封作用，保证过滤器在正常压力状态下密封良好，从而能够正常使用。过滤器法兰变形会导致过滤器密封不严、漏气或是漏液，影响其正常使用，严重的还会污染环境。
1、案例情况
2007年7月，某燃气有限公司使用的φ800过滤器的法兰和法兰密封连接处存在泄露现象。经现场查找，发现是过滤器的法兰存在变形，经多次调试均未能解决泄露问题，导致过滤器无法正常使用。2009年7月7日，该公司委托我所对该过滤器法兰变形的原因进行质量鉴定。
2、现场勘验
2009年7月22日，我所对申请鉴定的φ800过滤器法兰进行现场勘验。该过滤器法兰为长颈对焊法兰，焊接在Φ800过滤器罐体上，焊缝位置距离法兰顶部170mm；法兰盖直径800mm，厚110mm；法兰内径800mm，厚82mm。现场用油石对法兰、法兰盖密封面进行打磨，没有发现补焊的痕迹，排除了焊接应力引起的变形的可能。
3、理化检验
（1）宏观检测
①变形量测量
将φ800过滤器法兰倒置在平板上，用塞尺测量法兰密封面与平板的间隙（如表1）。
把法兰盖放置在该过滤器法兰上，测量法兰盖密封面与法兰密封面的间隙ai；将法兰盖旋转90°再安放在该过滤器法兰上，测量法兰盖密封面与法兰密封面的间隙aj（如表2）。
由表1可以看出，φ800过滤器法兰确实存在变形，而且变形位置对称呈现，最大变形量为0.8mm。
由表2可以看出，法兰盖基本没有变形。所以，在进行理化检验取样时，法兰盖没有取样。
②硬度测量
用硬度计对φ800过滤器法兰密封面进行多次测量并计算平均值，测量结果（如表3）。
硬度值符合标准要求。
（2）化学成分检测
在φ800过滤器法兰上取样，制成试样进行化学成分检测，检测结果（如表4）。
化学成分检测结果符合标准要求。
（3）取样
针对变形量测量的结果，选择在φ800过滤器法兰上取样。由于法兰变形的方向性无法确定，所测得的变形量只是相对值，变形部位也是相对部位，后面的试验结果也证实了此分析。
在这里，先把塞尺所测得的最大间隙处默认为变形部位，与最大间隙处相距90°，塞尺伸不进去的区域为未变形部位。取样时，在变形部位和未变形部位各取一块样品，进行冲击试验和金相显微组织检测。
（4）冲击性能检测
在所取的样品中制成冲击试样，进行冲击性能试验，试验结果（如表5）。
由表5可以看出，试样的冲击性能均符合标准要求，但二者冲击功的值相差较大。法兰最大间隙部位的冲击功是标准要求值的3.38倍，是与之相距90°部位冲击功的2.28倍，说明该部位韧性强、脆性弱。
（5）金相显微组织检测
在所取的样品中制成金相试样，试样抛光后，放大100倍、200倍进行金相显微组织检测。
过滤器法兰最大间隙部位的金相显微组织如图1、2所示。其金相显微组织为：珠光体 铁素体；晶粒度：（6～7）级；未发现魏氏组织。
与过滤器法兰最大间隙处相距90°部位的金相显微组织如图3、4所示。其金相显微组织为：珠光体 铁素体 魏氏组织；晶粒度：（2～3）级；魏氏组织：（3～4）级。
从图1、2可以看出，取样时默认变形部位（最大缝隙部位）的金相显微组织均匀，晶粒细化，晶粒度等级较高，是比较理想的热处理后的金相显微组织。这样的组织热处理较为充分，组织内部的应力基本消除，不会引起较大的形变，系稳定组织。
从图3、4可以看出，取样时认为未变形部位（与最大间隙处相距90°部位）的金相显微组织不均匀，晶粒粗大，晶粒度等级较低，是典型的正、回火不充分造成的；而且，该组织内部还存在魏氏组织。
魏氏组织属过热组织。锻造温度过高造成奥氏体晶粒长得非常粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体(渗碳体)魏氏组织。
魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面，使金属的韧性急剧下降，脆性增加。这在之前的冲击性能检测中也可以看出，没有魏氏组织的部位（即最大缝隙部位）能够经受的冲击功较大，而有魏氏组织的部位（即与最大间隙处相距90°部位）所能承受的冲击功虽然符合标准要求，但相对前者却相差很大，甚至不是一个数量级。从这里也可以看出，魏氏组织的存在，对材料的性能影响是比较大的。
从图1、2和图3、4的金相显微组织可以看出，该过滤器法兰的组织存在严重的不均匀性，这种不均匀性导致铸件中残余应力的形成。
4、结束语
铸件在凝固之后将继续冷却收缩，有些金属材料还会发生组织结构的变化。另一方面，由于铸件束缚于砂型中，这个特定条件又有可能使铸件某些部位的收缩受到阻碍。这些原因都能使铸件中产生应力，称之为铸造应力，它可以分成热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。
工艺上常用热处理的方法来达到相变的目的。但是，热处理也常常会出现相变的不均匀现象，即相邻部分的材料呈现不同的组织结构。相变时伴有比容的变化，能引起很大的微观应力和宏观应力，而不均匀相变时就会出现比容的差异，最终成为残余应力。
同一法兰不同部位的金相显微组织相差很大，组织严重不均匀。组织不均匀的原因，经分析是热处理后冷却过程中，法兰金相组织存在瑕疵的部位冷却速度过快（被雨淋或是其它情况），致使材料不等时相变，整个法兰的组织不均匀，内部组织存在残余应力，应力在缓慢松弛和再分布的过程中使法兰的密封面产生变形。
摘要：由于过滤器法兰变形，导致过滤器密封不严，无法正常使用。本文通过宏观、微观检测，化学成分检测，冲击性能检测等方法对过滤器法兰变形的原因进行分析。通过分析发现，变形主要是由于法兰的内部组织不均匀，同一法兰的不同部位金相显微组织相差较大，使组织内产生内应力，应力在缓慢松弛和再分布的过程中使法兰产生变形。
关键词：法兰变形失效分析魏氏组织
过滤器法兰主要起密封作用，保证过滤器在正常压力状态下密封良好，从而能够正常使用。过滤器法兰变形会导致过滤器密封不严、漏气或是漏液，影响其正常使用，严重的还会污染环境。
1、案例情况
2007年7月，某燃气有限公司使用的φ800过滤器的法兰和法兰密封连接处存在泄露现象。经现场查找，发现是过滤器的法兰存在变形，经多次调试均未能解决泄露问题，导致过滤器无法正常使用。2009年7月7日，该公司委托我所对该过滤器法兰变形的原因进行质量鉴定。
2、现场勘验
2009年7月22日，我所对申请鉴定的φ800过滤器法兰进行现场勘验。该过滤器法兰为长颈对焊法兰，焊接在Φ800过滤器罐体上，焊缝位置距离法兰顶部170mm；法兰盖直径800mm，厚110mm；法兰内径800mm，厚82mm。现场用油石对法兰、法兰盖密封面进行打磨，没有发现补焊的痕迹，排除了焊接应力引起的变形的可能。
3、理化检验
（1）宏观检测
①变形量测量
将φ800过滤器法兰倒置在平板上，用塞尺测量法兰密封面与平板的间隙（如表1）。
把法兰盖放置在该过滤器法兰上，测量法兰盖密封面与法兰密封面的间隙ai；将法兰盖旋转90°再安放在该过滤器法兰上，测量法兰盖密封面与法兰密封面的间隙aj（如表2）。
由表1可以看出，φ800过滤器法兰确实存在变形，而且变形位置对称呈现，最大变形量为0.8mm。
由表2可以看出，法兰盖基本没有变形。所以，在进行理化检验取样时，法兰盖没有取样。
②硬度测量
用硬度计对φ800过滤器法兰密封面进行多次测量并计算平均值，测量结果（如表3）。
硬度值符合标准要求。
（2）化学成分检测
在φ800过滤器法兰上取样，制成试样进行化学成分检测，检测结果（如表4）。
化学成分检测结果符合标准要求。
（3）取样
针对变形量测量的结果，选择在φ800过滤器法兰上取样。由于法兰变形的方向性无法确定，所测得的变形量只是相对值，变形部位也是相对部位，后面的试验结果也证实了此分析。
在这里，先把塞尺所测得的最大间隙处默认为变形部位，与最大间隙处相距90°，塞尺伸不进去的区域为未变形部位。取样时，在变形部位和未变形部位各取一块样品，进行冲击试验和金相显微组织检测。
（4）冲击性能检测
在所取的样品中制成冲击试样，进行冲击性能试验，试验结果（如表5）。
由表5可以看出，试样的冲击性能均符合标准要求，但二者冲击功的值相差较大。法兰最大间隙部位的冲击功是标准要求值的3.38倍，是与之相距90°部位冲击功的2.28倍，说明该部位韧性强、脆性弱。
（5）金相显微组织检测
在所取的样品中制成金相试样，试样抛光后，放大100倍、200倍进行金相显微组织检测。
过滤器法兰最大间隙部位的金相显微组织如图1、2所示。其金相显微组织为：珠光体 铁素体；晶粒度：（6～7）级；未发现魏氏组织。
与过滤器法兰最大间隙处相距90°部位的金相显微组织如图3、4所示。其金相显微组织为：珠光体 铁素体 魏氏组织；晶粒度：（2～3）级；魏氏组织：（3～4）级。
从图1、2可以看出，取样时默认变形部位（最大缝隙部位）的金相显微组织均匀，晶粒细化，晶粒度等级较高，是比较理想的热处理后的金相显微组织。这样的组织热处理较为充分，组织内部的应力基本消除，不会引起较大的形变，系稳定组织。
从图3、4可以看出，取样时认为未变形部位（与最大间隙处相距90°部位）的金相显微组织不均匀，晶粒粗大，晶粒度等级较低，是典型的正、回火不充分造成的；而且，该组织内部还存在魏氏组织。
魏氏组织属过热组织。锻造温度过高造成奥氏体晶粒长得非常粗大，这种粗大的奥氏体在较快的冷却速度下会形成一种特殊的过组织，其组织特征为在一个粗大的奥氏体晶粒内会形成许多平行的铁素体(渗碳体)针片，在铁素体针片之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，这种过热组织称为铁素体(渗碳体)魏氏组织。
魏氏组织不仅晶粒粗大，而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面，使金属的韧性急剧下降，脆性增加。这在之前的冲击性能检测中也可以看出，没有魏氏组织的部位（即最大缝隙部位）能够经受的冲击功较大，而有魏氏组织的部位（即与最大间隙处相距90°部位）所能承受的冲击功虽然符合标准要求，但相对前者却相差很大，甚至不是一个数量级。从这里也可以看出，魏氏组织的存在，对材料的性能影响是比较大的。
从图1、2和图3、4的金相显微组织可以看出，该过滤器法兰的组织存在严重的不均匀性，这种不均匀性导致铸件中残余应力的形成。
4、结束语
铸件在凝固之后将继续冷却收缩，有些金属材料还会发生组织结构的变化。另一方面，由于铸件束缚于砂型中，这个特定条件又有可能使铸件某些部位的收缩受到阻碍。这些原因都能使铸件中产生应力，称之为铸造应力，它可以分成热应力、相变应力和机械阻碍应力三种。
工艺上常用热处理的方法来达到相变的目的。但是，热处理也常常会出现相变的不均匀现象，即相邻部分的材料呈现不同的组织结构。相变时伴有比容的变化，能引起很大的微观应力和宏观应力，而不均匀相变时就会出现比容的差异，最终成为残余应力。
同一法兰不同部位的金相显微组织相差很大，组织严重不均匀。组织不均匀的原因，经分析是热处理后冷却过程中，法兰金相组织存在瑕疵的部位冷却速度过快（被雨淋或是其它情况），致使材料不等时相变，整个法兰的组织不均匀，内部组织存在残余应力，应力在缓慢松弛和再分布的过程中使法兰的密封面产生变形。
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