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大口徑法蘭開裂原因

2023-10-11 15:25:41 作者：張乃昕來源：理化檢驗物理分冊分享至：

某公司脫氫反應器接管法蘭在運行中發生泄漏，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不銹鋼鍛件的機械加工定型產品。法蘭安裝于脫氫反應器入口，工作壓力為0.13MPa，工作溫度為608℃，工作介質為氫氣(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

1.1 宏觀觀察

法蘭外壁未見腐蝕痕跡，內壁覆蓋有薄層黑色物質，法蘭斷面平整，未見貝殼紋、纖維區和剪切唇區，呈脆性斷裂特征，斷面覆蓋有黑色腐蝕產物。法蘭變徑段與直邊段交界處存在1處環向裂紋，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，距焊趾約8.0mm，平行于焊縫,呈環向分布。外表面裂紋開口較大，最大開口間隙為2.0mm，內壁裂紋長約三分之一周長，開口較小，裂紋由法蘭外表面向內表面擴展。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邊，內表面最大錯邊量為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，焊接區域未見氣孔、夾雜、咬邊和焊瘤等表面焊接缺陷。

1.2 化學成分分析

按照標準GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法(常規法)》對法蘭和焊縫進行化學成分分析，結果如表1所示，可見其化學成分符合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F304H鋼的要求。

1.3 硬度測試

按照標準GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分:試驗方法》對開裂處法蘭基體及焊縫熱影響區進行維氏硬度測試。法蘭基體的維氏硬度平均值為194HV，而焊縫熱影響區的維氏硬度平均值為225HV，遠高于法蘭基體的維氏硬度，說明焊接熱影響區具有較大的焊接殘余應力。

1.4 金相檢驗

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對法蘭開裂處進行顯微組織檢驗。法蘭開裂處的顯微組織形貌如圖2所示。由圖2可知：法蘭焊縫區為均勻的樹枝狀鑄態組織，未見裂紋、氣孔等焊接缺陷；熱影響區組織為奧氏體，晶粒粗大，存在晶內夾雜，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，存在大量條狀夾雜，按照GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》評定為2.5級。未裂透部位裂紋沿晶擴展,存在二次裂紋，晶粒內和晶界處分布著彌散碳化物顆粒，存在敏化現象。

1.5 掃描電鏡(SEM)分析

對法蘭斷面進行SEM分析，結果如圖3所示。法蘭斷面被腐蝕產物覆蓋，未見裸露斷口；清除腐蝕產物后，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，晶界處存在大量細小析出物。

使用掃描電鏡對基體金相試樣(觀察面垂直于法蘭端面)進行觀察，結果如圖4所示，由圖4可知：拋光態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

對法蘭斷面的腐蝕產物進行能譜分析，其中兩個位置的腐蝕產物元素組成如表2所示。由表2可知：斷口表面腐蝕產物中均含有S元素，無Cl元素，其中S元素質量分數最高達11.31%。

對金相試樣進行能譜分析,結果如圖5及表3所示。由圖5可知：熱影響區組織晶界處析出物中C元素質量分數為4.6%，Cr元素質量分數為35.09%，較晶粒內Cr元素質量分數大。由表3可知，晶界析出物主要為合金元素碳化物，來源于熱影響區基體敏化產生的合金元素。

2 綜合分析

2.1 環境原因

脫氫反應器內部反應介質含有 H2S氣體，該大口徑法蘭位于化工園區的生產車間，其運行過程中環境復雜，且在設備啟停檢修過程中，法蘭接觸多種介質，管道外保溫層下容易有含S元素的腐蝕介質與水富集，為奧氏體不銹鋼應力腐蝕提供腐蝕介質。

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，在金屬中擴散能力強，易擴散到晶界，與晶界及其鄰近區域的鉻原子結合形成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；同時晶內的鉻元素也會向晶界擴散補充，但鉻原子的擴散能力遠小于碳原子，難以補充晶界上的損失，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。當鉻元素含量低于鈍化所需的量(質量分數約為12%)時，鈍態受到破壞，電位下降，而晶內仍保持鈍態，從而構成大陰極(晶內)和小陽極(晶界區的貧鉻區)的微電偶電池，降低了晶界強度和耐腐蝕性能。為了縮短焊接接頭在敏化溫度的停留時間，奧氏體不銹鋼焊接過程中必須采用小電流、快速焊，嚴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間停留的時間過長，殘余應力大，熱影響區的合金元素在晶界析出，晶界強度大幅下降，開裂處為敏化狀態，加上法蘭長期在不銹鋼敏化溫度范圍內運行，導致熱影響區嚴重敏化，材料易發生沿晶應力腐蝕開裂。

2.3 結構原因

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，該處殘余應力大；運行時，該處承受管系約束和內壓引起的軸向拉應力，發生應力集中，大大增加了該處的實際受力。

2.4 法蘭組織原因

法蘭裂紋處基體組織晶粒粗大，同時基體含有大量條狀夾雜，提高了材料的塑性與韌性，提高了其在應力作用下產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，易發生敏化，降低了法蘭的耐腐蝕性能。

3 結論和建議

法蘭開裂原因是硫化物應力腐蝕。此外，熱影響區發生敏化、法蘭截面變化處與熱影響區重合導致應力疊加，法蘭基體組織晶粒粗大且含有大量條狀夾雜，法蘭長期在敏化溫度范圍內運行及法蘭材料碳含量高等對應力腐蝕開裂具有促進作用。

建議對反應器運行的大氣環境、保溫層下環境進行定期監測，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。在法蘭入廠驗收時，在法蘭材料符合要求的基礎上，還應對法蘭顯微組織進行復核，杜絕顯微組織不合格材料入庫。建議調整法蘭頸部結構，縮短法蘭直段長度或減小法蘭頸部傾斜段斜率，以避免焊接熱影響區與結構應力集中部位重合，減輕截面變化處應力集中程度；焊接過程中必須嚴格控制焊接工藝參數。采用低焊接速率、低線能量輸出，防止合金元素發生燒損現象，焊后要快速冷卻，避免焊縫在敏化區停留時間過長。

建議對現有類似大口徑不銹鋼法蘭和厚壁不銹鋼管焊口進行排查，對于焊道過寬的焊縫，除宏觀觀察外，還應使用滲透檢測和超聲檢測方法對其焊接接頭熱影響區進行檢測，將存在缺陷的焊接接頭進行返修；在設備檢修過程中，在開停機狀態下對設備采取必要的保護措施，以防止奧氏體不銹鋼發生腐蝕性元素聚集現象。

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