摘 要:采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡及能譜分析等方法分析某 大口徑法蘭開裂原因。結(jié)果表明:法蘭熱影響區(qū)基體組織敏化,截面變化處與熱影響區(qū)重合導(dǎo)致應(yīng) 力疊加;法蘭基體組織的晶粒粗大,且含有大量條狀夾雜;法蘭長期在敏化溫度范圍內(nèi)運行,最終導(dǎo) 致其發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。最后針對具體開裂原因,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
關(guān)鍵詞:法蘭;奧氏體不銹鋼;應(yīng)力腐蝕開裂
中圖分類號:TB31;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)08-0043-04
某公司脫氫反應(yīng)器接管法蘭在運行中發(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
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 約三分之一周長,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邊,內(nèi)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(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/T11170—2008《不銹鋼 多元素含 量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》對法 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F304H鋼的要求。
1.3 硬度測試
按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T4340.1—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(qū)進(jìn)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(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
按照GB/T13298—2015《金屬顯微組織檢驗方 法》對法蘭開裂處進(jìn)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(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,存在大量條狀夾 雜,按照 GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含 量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》評定為2.5級。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
對法蘭斷面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析,其中兩 個位置的腐蝕產(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Cl元素, 其中S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)11.31%。
對金相試樣進(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 數(shù) 為 4.6%,Cr元 素 質(zhì) 量 分 數(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)[1-2]。
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;同時晶內(nèi)的鉻元素也會向晶界擴(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,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[3]。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(yán)格控制一次成型的焊 縫寬度,以避免熱輸入量太大[4-5]。
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)間停留的時間過 長,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 期在不銹鋼敏化溫度范圍內(nèi)運行,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[6-8]。
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,該處殘余應(yīng)力大;運行 時,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(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[9-10]。
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 狀夾雜,法蘭長期在敏化溫度范圍內(nèi)運行及法蘭材料碳含量高等對應(yīng)力腐蝕開裂具有促進(jìn)作用。
建議對反應(yīng)器運行的大氣環(huán)境、保溫層下環(huán)境 進(jìn)行定期監(jiān)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(chǔ)上, 還應(yīng)對法蘭顯微組織進(jìn)行復(fù)核,杜絕顯微組織不合 格材料入庫。建議調(diào)整法蘭頸部結(jié)構(gòu),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(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)停留時間過長。
建議對現(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,對于焊道過寬的焊縫,除宏觀觀 察外,還應(yīng)使用滲透檢測和超聲檢測方法對其焊接 接頭熱影響區(qū)進(jìn)行檢測,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。
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