滲氫管道焊前的消氫處理工藝

荊 凱 明傳洋 馮蘇山 王萬民

中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471000

滲氫管道焊前的消氫處理工藝

荊 凱 明傳洋 馮蘇山 王萬民

中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471000

加氫反應裝置的氫類介質管道在運行過程中，氫會滲入管壁內(nèi)，當檢修或改造施工時，管壁中溶解氫一部分會逸出，而大部分氫仍滯留在管壁之中。這些殘留氫的存在會使管道焊接時容易出現(xiàn)冷裂紋、氣孔等缺陷；殘留氫也會使管道材質脆化，造成管道發(fā)生破壞。本文從氫擴散的機理及焊接中有害元素的消除來進行分析，闡述了焊前對母材消氫處理的必要性和處理工藝，為類似工程施工積累了寶貴經(jīng)驗。

滲氫 消氫處理 焊接 裂紋

在某石化公司的加氫裝置檢修施工中，需要對操作介質為氫氣的管道進行改造施工。管道材質為A106 Gr.B，管道利舊、新舊管道連頭的情況較多，而利舊管道已使用一定周期，氫已滲透到管壁內(nèi)?？紤]到氫元素在焊接中屬于有害元素，如焊接中擴散氫溶解度高，拘束應力和材料淬硬傾向大時，焊縫容易出現(xiàn)冷裂紋、氣孔等。為避免利舊管道內(nèi)的殘留氫對焊接帶來不良影響，我們采取了焊前消氫處理的施工工藝，即焊接之前讓殘留在母材中的氫逸出，實踐證明，通過該工藝進行消氫處理的焊道，經(jīng)X射線檢測全部合格，效果十分理想。

1 管道滲氫的原因

氫氣在常溫下以原子態(tài)進入管道內(nèi)部，在－100℃～100℃的溫度區(qū)間內(nèi)可以聚集成分子態(tài)。而在該檢修工程施工中，管道內(nèi)介質為氫氣，操作溫度為80℃，操作壓力為10Mpa，管道運行了一定周期，由此我們就可以判斷管壁內(nèi)一定有氫存在。通過已知的材質、溫度和氫分壓等數(shù)據(jù)，計算出氫在鋼材中的飽和溶解度，通過Siev-ert定律來計算，從而進一步來計算氫的濃度以及分布情況：

式中 ，KO、△E— 相關系數(shù)，由金屬材料性質決定

PH2— 氫分壓，MPa

T— 溫度，℃

對于已知的材質可以通過上述公式計算出在一定的溫度和氫分壓下，氫在該材料中所具有的飽和溶解度。如A106 Gr.B和309／347不銹鋼堆焊層在不同溫度和氫分壓下的飽和溶解度見表1。

氫在鋼材中的濃度，不僅與操作溫度和氫分壓有關，還與氫在鋼材中的擴散行為有關。氫可以通過擴散逸出鋼材，在鋼材內(nèi)部形成濃度梯度。

表1 不同溫度和氫分壓下的飽和溶解度

氫在鋼材中的擴散系數(shù)為：D=DO e-Q/T+273m2/s T—鋼材溫度，℃

對于A106Gr.B： D=2.46×10-7e-2150/T+273

309 不銹鋼堆焊層：D=4.7×10-7e-6442/T+273

347 不銹鋼堆焊層：D=5.97×10-7e-6633/T+273

氫在不同溫度下、不同材質中的擴散系數(shù)見表2。

表2 氫在不同溫度下、不同材質中的擴散系數(shù)

氫在金屬中的擴散可以用擴散方程來描述：

由于擴散系數(shù)D僅為溫度的函數(shù)，因此上式可以簡化為：

式中c— 氫在鋼材中的濃度

T— 時間

X—距離

根據(jù)管道的操作溫度、氫分壓、結構尺寸，可以計算出正常運行中鋼材的氫分布狀況。

通過以上推論可以看出，管道壁內(nèi)氫濃度主要由操作溫度和氫分壓所決定，而且只要運行的氫介質管道具有一定壓力和溫度，管道內(nèi)就會有滲氫現(xiàn)象。

在正常操作時鋼材內(nèi)各濃度不隨時間改變，

2 滲氫的危害及處理方法

當氫以原子態(tài)先進入管道內(nèi)部，然后聚集成分子態(tài)之后，一方面在鋼材內(nèi)造成內(nèi)壓與內(nèi)應力，另一方面氫又使材料弱化脆化，但這種作用極其緩慢。當氫向鋼的內(nèi)部進一步擴散后，與鋼中滲碳體發(fā)生化學反應，生成的甲烷在鋼中擴散能力很小，聚集在晶界上原有的空隙內(nèi)，形成局部高壓，使晶界變寬，引起氫脆。（氫脆，又稱氫致開裂或氫損傷，是一種由于金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開裂或損傷的現(xiàn)象。所謂“損傷”，是指材料的力學性能下降）。在氫脆情況下會發(fā)生“滯后破壞”，因為這種破壞需要經(jīng)歷一定時間才發(fā)生。一旦管材產(chǎn)生滯后破壞，因為這種破壞沒有預見性，對于生產(chǎn)裝置來說危險很大。產(chǎn)生氫脆的材料可以通過消除氫處理來消除缺陷，消除氫可以采用回火、時效等措施來消除。回火是將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝，時效處理是在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度。

當氫以原子態(tài)進入管道內(nèi)部，然后聚集成分子態(tài)之后，未與鋼中滲碳體發(fā)生化學反應，該檢修工程中所用的利舊材料就屬于這種情況。材料性能并沒有受影響，但由于氫的存在對焊接質量有很大的影響，焊接時焊道容易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，所以在焊接前可以采取焊前消氫處理的措施來保證焊接質量。

3 滲氫管道焊道焊前消氫處理

在該檢修施工中，工期很短，必須保證施工質量和工期。對于母材有滲氫情況下的焊接，選擇合理的焊接工藝非常重要。焊后消氫處理是對于母材沒有滲氫情況下的焊接處理，目的是消除焊接過程中產(chǎn)生的氫；而焊前消氫處理是消除母材中的氫，因為氫在焊接中屬于有害元素。我們采取了焊前消氫處理的焊接工藝來施焊，焊口組對完畢后，通過電加熱方式來加熱焊口，讓材料中的擴散氫逸出。確定加熱溫度也非常關鍵，因為鐵素體相經(jīng)過350～500℃加熱后，韌性和塑性會顯著降低，即性質脆化，在475℃時脆化速度最快，稱“475℃脆性”。由于“475℃脆性的存在，消氫加熱溫度不宜超過350℃，另一方面，經(jīng)驗指出，將焊件加熱到350℃，保溫1.5h，幾乎可將擴散氫全部去除，焊前消氫處理分為加熱、恒溫、冷卻三個過程見圖1，具體要求如下：

（1）加熱范圍為焊縫兩側各不少于100mm，加熱區(qū)以外100mm范圍內(nèi)應予以保溫且管道端口應封閉。加熱升溫至300℃后加熱速度應按5125/δ℃/h計算且不大于220℃/h。

（2）恒溫溫度為350℃，恒溫時間1～3h。

（3）冷卻過程應保溫緩冷，100℃之后自然冷卻，當保溫緩冷至100℃時可以進行實焊。

4 效果

在該檢修工程中，滲氫管道焊接采用先焊前消氫處理后焊接的施工工藝，所有滲氫管道焊道焊接完畢后經(jīng)X射線檢測均一次合格，符合JB/T 4730-2005標準的要求，焊道沒有冷裂紋、氣孔等任何缺陷，水壓試驗一次通過。

5 結束語

在檢修或改造工程的施工中，對滲氫管道焊接采用先進行焊前消氫處理后焊接的工藝進行焊接作業(yè)，確保了焊接質量和施工工期，值得以后在類似工程中運用。

1《石油化工廠設備檢修手冊》第二分冊.中國石化出版社.

2《焊接手冊》.機械工業(yè)出版社.

3《工程材料焊接技術問答》.機械工業(yè)出版社.

4 加氫反應器器壁中氫擴散的數(shù)學模型[J]．航空材料學報，1999，6.

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1672-9323（2011）01-0065-02

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