某公司脫氫反應(yīng)器接管法蘭在運(yùn)行中發(fā)生泄漏，法蘭泄漏處位于變徑段與直邊段交界處。該法蘭是固溶后退火狀態(tài)不銹鋼鍛件的機(jī)械加工定型產(chǎn)品。法蘭安裝于脫氫反應(yīng)器入口，工作壓力為0.13MPa，工作溫度為608℃，工作介質(zhì)為氫氣(含量約為50%)、異丁烷、丙烷及少量硫化氫氣體混合物，管線外包裹巖棉保溫層。
法蘭與連接管由焊接方式連接，焊接方法為鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面。連接管規(guī)格為660mm×18mm(外徑×壁厚)，材料為F304H鋼，法蘭于2017年投入使用。
1、 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
法蘭外壁未見腐蝕痕跡，內(nèi)壁覆蓋有薄層黑色物質(zhì)，法蘭斷面平整，未見貝殼紋、纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，呈脆性斷裂特征，斷面覆蓋有黑色腐蝕產(chǎn)物。法蘭變徑段與直邊段交界處存在1處環(huán)向裂紋，裂紋處未見明顯塑性變形和減薄，呈脆性斷裂特征。裂紋位于法蘭與入口接管焊接接頭的熱影響區(qū)，距焊趾約8.0mm，平行于焊縫,呈環(huán)向分布。外表面裂紋開口較大，最大開口間隙為2.0mm，內(nèi)壁裂紋長(zhǎng)約三分之一周長(zhǎng)，開口較小，裂紋由法蘭外表面向內(nèi)表面擴(kuò)展。開裂法蘭宏觀形貌如圖1所示。
法蘭與入口接管的焊接接頭存在錯(cuò)邊，內(nèi)表面最大錯(cuò)邊量為1.4mm。焊縫蓋面層采用的是焊條電弧焊單道焊，焊道寬度過寬，約為18~20mm，焊接區(qū)域未見氣孔、夾雜、咬邊和焊瘤等表面焊接缺陷。
1.2 化學(xué)成分分析
按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11170—2008《不銹鋼 多元素含量的測(cè)定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對(duì)法蘭和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見其化學(xué)成分符合ASTM A182/A182M—2006 《高溫用鍛制或軋制合金鋼和不銹鋼法蘭、鍛制配件、閥門與部件》對(duì)F304H鋼的要求。
1.3 硬度測(cè)試
按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分:試驗(yàn)方法》對(duì)開裂處法蘭基體及焊縫熱影響區(qū)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試。法蘭基體的維氏硬度平均值為194HV，而焊縫熱影響區(qū)的維氏硬度平均值為225HV，遠(yuǎn)高于法蘭基體的維氏硬度，說(shuō)明焊接熱影響區(qū)具有較大的焊接殘余應(yīng)力。
1.4 金相檢驗(yàn)
按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對(duì)法蘭開裂處進(jìn)行顯微組織檢驗(yàn)。法蘭開裂處的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：法蘭焊縫區(qū)為均勻的樹枝狀鑄態(tài)組織，未見裂紋、氣孔等焊接缺陷；熱影響區(qū)組織為奧氏體，晶粒粗大，存在晶內(nèi)夾雜，多處晶界變寬，存在碳化物顆粒；法蘭基體組織為奧氏體，部分晶界處有碳化物顆粒，存在大量條狀?yuàn)A雜，按照GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定為2.5級(jí)。未裂透部位裂紋沿晶擴(kuò)展,存在二次裂紋，晶粒內(nèi)和晶界處分布著彌散碳化物顆粒，存在敏化現(xiàn)象。
1.5 掃描電鏡(SEM)分析
對(duì)法蘭斷面進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖3所示。法蘭斷面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，未見裸露斷口；清除腐蝕產(chǎn)物后，斷口呈冰糖狀花樣，為典型沿晶斷口形貌，并可見多處沿晶二次裂紋，晶界處存在大量細(xì)小析出物。
使用掃描電鏡對(duì)基體金相試樣(觀察面垂直于法蘭端面)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4所示，由圖4可知：拋光態(tài)下基體上可見條狀非金屬夾雜物，晶界上存在大量碳化物顆粒。
1.6 能譜分析
對(duì)法蘭斷面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，其中兩個(gè)位置的腐蝕產(chǎn)物元素組成如表2所示。由表2可知：斷口表面腐蝕產(chǎn)物中均含有S元素，無(wú)Cl元素，其中S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)11.31%。
對(duì)金相試樣進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5及表3所示。由圖5可知：熱影響區(qū)組織晶界處析出物中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.6%，Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.09%，較晶粒內(nèi)Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大。由表3可知，晶界析出物主要為合金元素碳化物，來(lái)源于熱影響區(qū)基體敏化產(chǎn)生的合金元素。
2、 綜合分析
2.1 環(huán)境原因
脫氫反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)介質(zhì)含有 H2S氣體，該大口徑法蘭位于化工園區(qū)的生產(chǎn)車間，其運(yùn)行過程中環(huán)境復(fù)雜，且在設(shè)備啟停檢修過程中，法蘭接觸多種介質(zhì)，管道外保溫層下容易有含S元素的腐蝕介質(zhì)與水富集，為奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕提供腐蝕介質(zhì)。
2.2 焊接原因
奧氏體不銹鋼工作溫度為400~850℃，由于碳原子體積小，在金屬中擴(kuò)散能力強(qiáng)，易擴(kuò)散到晶界，與晶界及其鄰近區(qū)域的鉻原子結(jié)合形成Cr23C6，并在晶界析出，使晶界上除碳化物部分的鉻元素含量下降；同時(shí)晶內(nèi)的鉻元素也會(huì)向晶界擴(kuò)散補(bǔ)充，但鉻原子的擴(kuò)散能力遠(yuǎn)小于碳原子，難以補(bǔ)充晶界上的損失，故隨晶界上碳化鉻的不斷析出，形成Cr元素含量大大降低的晶界貧鉻區(qū)。當(dāng)鉻元素含量低于鈍化所需的量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%)時(shí)，鈍態(tài)受到破壞，電位下降，而晶內(nèi)仍保持鈍態(tài)，從而構(gòu)成大陰極(晶內(nèi))和小陽(yáng)極(晶界區(qū)的貧鉻區(qū))的微電偶電池，降低了晶界強(qiáng)度和耐腐蝕性能。為了縮短焊接接頭在敏化溫度的停留時(shí)間，奧氏體不銹鋼焊接過程中必須采用小電流、快速焊，嚴(yán)格控制一次成型的焊縫寬度，以避免熱輸入量太大。
開裂法蘭焊縫的蓋面焊為單道焊，焊道過寬，達(dá)到18~20mm，焊接速率過慢，焊接熱輸入量過大，焊接過程中焊接接頭在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間過長(zhǎng)，殘余應(yīng)力大，熱影響區(qū)的合金元素在晶界析出，晶界強(qiáng)度大幅下降，開裂處為敏化狀態(tài)，加上法蘭長(zhǎng)期在不銹鋼敏化溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，導(dǎo)致熱影響區(qū)嚴(yán)重敏化，材料易發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開裂。
2.3 結(jié)構(gòu)原因
法蘭裂紋位于法蘭變徑段與直邊段的交界處。裂紋處截面變化大，焊接時(shí)，該處殘余應(yīng)力大；運(yùn)行時(shí)，該處承受管系約束和內(nèi)壓引起的軸向拉應(yīng)力，發(fā)生應(yīng)力集中，大大增加了該處的實(shí)際受力。
2.4 法蘭組織原因
法蘭裂紋處基體組織晶粒粗大，同時(shí)基體含有大量條狀?yuàn)A雜，提高了材料的塑性與韌性，提高了其在應(yīng)力作用下產(chǎn)生脆性裂紋的可能性。
2.5 材料原因
法蘭材料為F304H不銹鋼，碳元素含量高，易發(fā)生敏化，降低了法蘭的耐腐蝕性能。
3、 結(jié)論和建議
法蘭開裂原因是硫化物應(yīng)力腐蝕。此外，熱影響區(qū)發(fā)生敏化、法蘭截面變化處與熱影響區(qū)重合導(dǎo)致應(yīng)力疊加，法蘭基體組織晶粒粗大且含有大量條狀?yuàn)A雜，法蘭長(zhǎng)期在敏化溫度范圍內(nèi)運(yùn)行及法蘭材料碳含量高等對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂具有促進(jìn)作用。
建議對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行的大氣環(huán)境、保溫層下環(huán)境進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，控制其中腐蝕元素的含量；建議更換法蘭材料，改為低碳含量的F304鋼或F304L 鋼。在法蘭入廠驗(yàn)收時(shí)，在法蘭材料符合要求的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對(duì)法蘭顯微組織進(jìn)行復(fù)核，杜絕顯微組織不合格材料入庫(kù)。建議調(diào)整法蘭頸部結(jié)構(gòu)，縮短法蘭直段長(zhǎng)度或減小法蘭頸部?jī)A斜段斜率，以避免焊接熱影響區(qū)與結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位重合，減輕截面變化處應(yīng)力集中程度；焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)。采用低焊接速率、低線能量輸出，防止合金元素發(fā)生燒損現(xiàn)象，焊后要快速冷卻，避免焊縫在敏化區(qū)停留時(shí)間過長(zhǎng)。
建議對(duì)現(xiàn)有類似大口徑不銹鋼法蘭和厚壁不銹鋼管焊口進(jìn)行排查，對(duì)于焊道過寬的焊縫，除宏觀觀察外，還應(yīng)使用滲透檢測(cè)和超聲檢測(cè)方法對(duì)其焊接接頭熱影響區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，將存在缺陷的焊接接頭進(jìn)行返修；在設(shè)備檢修過程中，在開停機(jī)狀態(tài)下對(duì)設(shè)備采取必要的保護(hù)措施，以防止奧氏體不銹鋼發(fā)生腐蝕性元素聚集現(xiàn)象。
作者：張乃昕1，蓋紅德1，孫嶺1，宋雪1，叢曉1，胡娜娜1，安文禎1，滕金冰2
單位：1.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院集團(tuán)有限公司；
2.臨沂市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院。
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第8期
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