某公司脱氢反应器接管法兰在运行中发生泄漏，法兰泄漏处位于变径段与直边段交界处。该法兰是固溶后退火状态不锈钢锻件的机械加工定型产品。法兰安装于脱氢反应器入口，工作压力为0.13MPa，工作温度为608℃，工作介质为氢气(含量约为50%)、异丁烷、丙烷及少量硫化氢气体混合物，管线外包裹岩棉保温层。
法兰与连接管由焊接方式连接，焊接方法为钨极氩弧焊打底，焊条电弧焊填充盖面。连接管规格为660mm×18mm(外径×壁厚)，材料为F304H钢，法兰于2017年投入使用。
1、 理化检验
1.1 宏观观察
法兰外壁未见腐蚀痕迹，内壁覆盖有薄层黑色物质，法兰断面平整，未见贝壳纹、纤维区和剪切唇区，呈脆性断裂特征，断面覆盖有黑色腐蚀产物。法兰变径段与直边段交界处存在1处环向裂纹，裂纹处未见明显塑性变形和减薄，呈脆性断裂特征。裂纹位于法兰与入口接管焊接接头的热影响区，距焊趾约8.0mm，平行于焊缝,呈环向分布。外表面裂纹开口较大，最大开口间隙为2.0mm，内壁裂纹长约三分之一周长，开口较小，裂纹由法兰外表面向内表面扩展。开裂法兰宏观形貌如图1所示。
法兰与入口接管的焊接接头存在错边，内表面最大错边量为1.4mm。焊缝盖面层采用的是焊条电弧焊单道焊，焊道宽度过宽，约为18~20mm，焊接区域未见气孔、夹杂、咬边和焊瘤等表面焊接缺陷。
1.2 化学成分分析
按照标准GB/T 11170—2008《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规法)》对法兰和焊缝进行化学成分分析，结果如表1所示，可见其化学成分符合ASTM A182/A182M—2006 《高温用锻制或轧制合金钢和不锈钢法兰、锻制配件、阀门与部件》对F304H钢的要求。
1.3 硬度测试
按照标准GB/T 4340.1—2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分:试验方法》对开裂处法兰基体及焊缝热影响区进行维氏硬度测试。法兰基体的维氏硬度平均值为194HV，而焊缝热影响区的维氏硬度平均值为225HV，远高于法兰基体的维氏硬度，说明焊接热影响区具有较大的焊接残余应力。
1.4 金相检验
按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对法兰开裂处进行显微组织检验。法兰开裂处的显微组织形貌如图2所示。由图2可知：法兰焊缝区为均匀的树枝状铸态组织，未见裂纹、气孔等焊接缺陷；热影响区组织为奥氏体，晶粒粗大，存在晶内夹杂，多处晶界变宽，存在碳化物颗粒；法兰基体组织为奥氏体，部分晶界处有碳化物颗粒，存在大量条状夹杂，按照GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》评定为2.5级。未裂透部位裂纹沿晶扩展,存在二次裂纹，晶粒内和晶界处分布着弥散碳化物颗粒，存在敏化现象。
1.5 扫描电镜(SEM)分析
对法兰断面进行SEM分析，结果如图3所示。法兰断面被腐蚀产物覆盖，未见裸露断口；清除腐蚀产物后，断口呈冰糖状花样，为典型沿晶断口形貌，并可见多处沿晶二次裂纹，晶界处存在大量细小析出物。
使用扫描电镜对基体金相试样(观察面垂直于法兰端面)进行观察，结果如图4所示，由图4可知：抛光态下基体上可见条状非金属夹杂物，晶界上存在大量碳化物颗粒。
1.6 能谱分析
对法兰断面的腐蚀产物进行能谱分析，其中两个位置的腐蚀产物元素组成如表2所示。由表2可知：断口表面腐蚀产物中均含有S元素，无Cl元素，其中S元素质量分数最高达11.31%。
对金相试样进行能谱分析,结果如图5及表3所示。由图5可知：热影响区组织晶界处析出物中C元素质量分数为4.6%，Cr元素质量分数为35.09%，较晶粒内Cr元素质量分数大。由表3可知，晶界析出物主要为合金元素碳化物，来源于热影响区基体敏化产生的合金元素。
2、 综合分析
2.1 环境原因
脱氢反应器内部反应介质含有 H2S气体，该大口径法兰位于化工园区的生产车间，其运行过程中环境复杂，且在设备启停检修过程中，法兰接触多种介质，管道外保温层下容易有含S元素的腐蚀介质与水富集，为奥氏体不锈钢应力腐蚀提供腐蚀介质。
2.2 焊接原因
奥氏体不锈钢工作温度为400~850℃，由于碳原子体积小，在金属中扩散能力强，易扩散到晶界，与晶界及其邻近区域的铬原子结合形成Cr23C6，并在晶界析出，使晶界上除碳化物部分的铬元素含量下降；同时晶内的铬元素也会向晶界扩散补充，但铬原子的扩散能力远小于碳原子，难以补充晶界上的损失，故随晶界上碳化铬的不断析出，形成Cr元素含量大大降低的晶界贫铬区。当铬元素含量低于钝化所需的量(质量分数约为12%)时，钝态受到破坏，电位下降，而晶内仍保持钝态，从而构成大阴极(晶内)和小阳极(晶界区的贫铬区)的微电偶电池，降低了晶界强度和耐腐蚀性能。为了缩短焊接接头在敏化温度的停留时间，奥氏体不锈钢焊接过程中必须采用小电流、快速焊，严格控制一次成型的焊缝宽度，以避免热输入量太大。
开裂法兰焊缝的盖面焊为单道焊，焊道过宽，达到18~20mm，焊接速率过慢，焊接热输入量过大，焊接过程中焊接接头在敏化温度区间停留的时间过长，残余应力大，热影响区的合金元素在晶界析出，晶界强度大幅下降，开裂处为敏化状态，加上法兰长期在不锈钢敏化温度范围内运行，导致热影响区严重敏化，材料易发生沿晶应力腐蚀开裂。
2.3 结构原因
法兰裂纹位于法兰变径段与直边段的交界处。裂纹处截面变化大，焊接时，该处残余应力大；运行时，该处承受管系约束和内压引起的轴向拉应力，发生应力集中，大大增加了该处的实际受力。
2.4 法兰组织原因
法兰裂纹处基体组织晶粒粗大，同时基体含有大量条状夹杂，提高了材料的塑性与韧性，提高了其在应力作用下产生脆性裂纹的可能性。
2.5 材料原因
法兰材料为F304H不锈钢，碳元素含量高，易发生敏化，降低了法兰的耐腐蚀性能。
3、 结论和建议
法兰开裂原因是硫化物应力腐蚀。此外，热影响区发生敏化、法兰截面变化处与热影响区重合导致应力叠加，法兰基体组织晶粒粗大且含有大量条状夹杂，法兰长期在敏化温度范围内运行及法兰材料碳含量高等对应力腐蚀开裂具有促进作用。
建议对反应器运行的大气环境、保温层下环境进行定期监测，控制其中腐蚀元素的含量；建议更换法兰材料，改为低碳含量的F304钢或F304L 钢。在法兰入厂验收时，在法兰材料符合要求的基础上，还应对法兰显微组织进行复核，杜绝显微组织不合格材料入库。建议调整法兰颈部结构，缩短法兰直段长度或减小法兰颈部倾斜段斜率，以避免焊接热影响区与结构应力集中部位重合，减轻截面变化处应力集中程度；焊接过程中必须严格控制焊接工艺参数。采用低焊接速率、低线能量输出，防止合金元素发生烧损现象，焊后要快速冷却，避免焊缝在敏化区停留时间过长。
建议对现有类似大口径不锈钢法兰和厚壁不锈钢管焊口进行排查，对于焊道过宽的焊缝，除宏观观察外，还应使用渗透检测和超声检测方法对其焊接接头热影响区进行检测，将存在缺陷的焊接接头进行返修；在设备检修过程中，在开停机状态下对设备采取必要的保护措施，以防止奥氏体不锈钢发生腐蚀性元素聚集现象。
作者：张乃昕1，盖红德1，孙岭1，宋雪1，丛晓1，胡娜娜1，安文祯1，滕金冰2
单位：1.山东省特种设备检验研究院集团有限公司；
2.临沂市特种设备检验研究院。
来源：《理化检验-物理分册》2023年第8期
