硫磺回收單元廢氣管線不銹鋼內(nèi)管失效原因分析

（重慶天然氣凈化總廠，重慶 401259）

硫磺回收單元廢氣管線不銹鋼內(nèi)管失效原因分析

張曉筱，蔣學(xué)奎，張智，曾令強(qiáng)

（重慶天然氣凈化總廠，重慶 401259）

天然氣凈化廠硫磺回收單元液硫池廢氣夾套管線腐蝕泄漏時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重影響著裝置的安全環(huán)保運(yùn)行。本文對(duì)某廠夾套管線多次失效的原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以期對(duì)延長(zhǎng)夾套管線的使用壽命有所幫助。

硫磺回收；夾套管線；失效；原因分析；措施

從井口來(lái)的原料氣進(jìn)入天然氣凈化廠進(jìn)行處理。為了達(dá)到環(huán)保排放要求，硫磺回收單元成為重要的一環(huán)。目前常用超級(jí)克勞斯工藝來(lái)回收硫化氫中含有的硫元素。為使輸出的硫磺產(chǎn)品達(dá)到質(zhì)量要求以及符合目前安全環(huán)保的理念，需將硫磺池內(nèi)的硫化氫、二氧化硫、水蒸氣等廢氣進(jìn)行脫除。硫磺池內(nèi)的廢氣經(jīng)過(guò)引射器，到達(dá)尾氣焚燒爐經(jīng)灼燒后排入大氣。下面是某廠硫磺回收單元工藝流程圖，如圖1所示。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

某天然氣凈化廠硫磺回收單元廢氣輸送管線原設(shè)計(jì)夾套內(nèi)外管線均采用碳鋼管，內(nèi)外管之間流動(dòng)介質(zhì)為蒸汽，內(nèi)管流動(dòng)介質(zhì)為硫化氫、硫蒸氣、SO2等廢氣。由于發(fā)生了腐蝕穿孔泄漏，后將內(nèi)管用304奧氏體不銹鋼管替代。經(jīng)過(guò)運(yùn)行考核，使用時(shí)間還未達(dá)到半年，內(nèi)管多處發(fā)生了腐蝕穿孔和斷裂現(xiàn)象，并且斷裂或者穿孔部位均發(fā)生在焊縫附近100～150mm處。斷裂的夾套管線為DN125/80，斷裂部位如圖2所示。內(nèi)管介質(zhì)操作參數(shù)為：壓力為常壓，溫度約130～160℃。夾套外管介質(zhì)為低壓水蒸汽，溫度140℃左右，壓力0.4MPa左右。內(nèi)管穿孔后，不僅造成廢氣不能抽走，夾套內(nèi)的保溫蒸汽也由于壓力比內(nèi)管內(nèi)的廢氣壓力高而進(jìn)入內(nèi)管，進(jìn)而進(jìn)入硫磺池和焚燒爐，池內(nèi)廢氣散發(fā)進(jìn)入大氣，造成環(huán)境污染，而且給生產(chǎn)人員的生命安全帶來(lái)威脅。蒸汽進(jìn)入焚燒爐后，由于水分的侵蝕和對(duì)耐火材料的沖刷，造成耐火層的垮塌。

圖2 廢氣夾套管線斷裂部位示意圖

1 腐蝕現(xiàn)象及光譜檢測(cè)情況

1.1 腐蝕現(xiàn)象

腐蝕斷裂情況如圖3所示，斷口截面與水平面約呈45°，斷口呈現(xiàn)數(shù)量不等的凹坑，裂紋形成區(qū)成暗色和灰黑色，最終斷裂區(qū)有金屬光澤。

圖3 腐蝕斷裂后的夾套管線

1.2 材質(zhì)檢測(cè)情況

對(duì)斷裂后的304不銹鋼取樣進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)304不銹鋼成分的對(duì)比如表1所示。從表中可以看出，與標(biāo)件相比，該管的碳當(dāng)量比標(biāo)樣高，Cr含量比標(biāo)樣低，S含量比標(biāo)樣高出太多，如表1所示。

（1）從表1中可以看出，失效鋼材中Cr含量比標(biāo)件低1.6%。在不銹鋼中添加鉻元素可增加其抗腐蝕性。鉻氧化后的產(chǎn)物(FeCr)2O3在鋼表面形成致密的氧化膜能與基體緊密結(jié)合 ，提高鋼的化學(xué)穩(wěn)定性，阻止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)生。304不銹鋼按國(guó)標(biāo)規(guī)定，含鉻量為18%～20%，而腐蝕鋼管含鉻量已不達(dá)標(biāo)。

表1 銹蝕的304不銹鋼化學(xué)成分與標(biāo)件的對(duì)比表 %

（2）從表1中可以看出，腐蝕鋼管Ni含量為8.42%，比標(biāo)件低0.66%，未達(dá)到9%。而低碳高鉻不銹鋼中，9%的鎳與鉻元素配合可提高不銹鋼的耐腐蝕、耐高溫、抗氧化能力，使其獲得良好的焊接成形性能。

（3）從表1中可以看出，腐蝕鋼管碳含量為0.074%，比標(biāo)件高出0.033%。碳雖能提高奧氏體鋼的耐熱強(qiáng)性，但其與鉻形成的多種碳化物，會(huì)減少晶界鉻含量，使鋼的耐腐蝕性下降。

（4）從表1中可以看出，S含量嚴(yán)重超標(biāo)，大大增加了裂紋產(chǎn)生的可能性。

2 失效原因分析

分析廢氣夾套管線的不銹鋼內(nèi)管失效原因，主要有如下兩點(diǎn)：一是施工工藝和質(zhì)量把控不嚴(yán)，二是由于管道所處的工藝介質(zhì)引起的腐蝕。

2.1 施工工藝及質(zhì)量把控

施工工藝上存在的問(wèn)題有：一是材料混用、管理不當(dāng)（如不銹鋼內(nèi)管材質(zhì)不合格，碳鋼定位支撐直接焊在不銹鋼內(nèi)管上）；二是焊接工藝質(zhì)量及質(zhì)量把控上（包括采用鎢極氬弧焊時(shí)，焊縫背面沒(méi)有進(jìn)行氬氣保護(hù)，且焊后未進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)等）；三是作業(yè)過(guò)程中存在強(qiáng)力組對(duì)現(xiàn)象，產(chǎn)生了附加應(yīng)力；四是沒(méi)有采取去應(yīng)力退火處理等措施。

2.1.1 材料混用、管理不到位

建設(shè)方選擇廢氣夾套管線內(nèi)管為304不銹鋼（在20～200℃溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)為17μm/℃），外管卻仍然采用普通碳素?zé)o縫鋼管（在20～200℃溫度區(qū)間的線膨脹系數(shù)為11.8μm/℃），線膨脹系數(shù)偏大。由《SH/T 3041-2016 石油化工管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》，在10米距離上兩者熱膨脹差長(zhǎng)度差為6.7毫米，內(nèi)管產(chǎn)生的熱脹量需要補(bǔ)償時(shí)，在自然補(bǔ)償不能補(bǔ)償?shù)那闆r下未在內(nèi)管中間段設(shè)Π型熱補(bǔ)償器，最后內(nèi)管在靠近焊縫處應(yīng)力集中區(qū)斷裂，如圖4所示。

由《T-ES 25 1018-2005夾套管設(shè)計(jì)規(guī)定》2.11，與不銹鋼內(nèi)管連接的端板應(yīng)選擇不銹鋼，并用不銹鋼焊條進(jìn)行施焊，而施工方選擇的法蘭端板為碳鋼。從斷裂后的定位板可以看出，定位板應(yīng)和內(nèi)管的焊接為點(diǎn)焊，很可能存在定位不牢的情況，且支撐件定位板采用碳鋼是不對(duì)的，按照《SH/T 3546-2011 石油化工夾套管施工及驗(yàn)收規(guī)范》的要求，定位板與不銹鋼內(nèi)管材質(zhì)一致，才可焊接在內(nèi)管上。若庫(kù)房將碳鋼和不銹鋼管件一同堆放也是不合理的。

碳鋼不銹鋼混用的影響：在焊接或焊后加熱（熱處理或高溫運(yùn)行）時(shí)，碳從含碳量較高的Q235鋼通過(guò)夾套管線端板焊縫熔合區(qū)擴(kuò)散，擴(kuò)散的過(guò)飽和碳與鉻元素（擴(kuò)散比碳慢）在晶粒邊界形成的化合物(Cr23C6)，使不銹鋼晶間貧鉻，造成晶間腐蝕，在450～820℃溫度范圍內(nèi)，溫度越高越嚴(yán)重。晶間腐蝕造成金屬結(jié)構(gòu)組織破壞，使鋼材的各種性能有所降低，在應(yīng)力作用下會(huì)輕易發(fā)生沿晶斷裂?？拷税逄幍暮缚p斷裂如圖4所示，此外焊縫熔合區(qū)的增碳層使奧氏體不銹鋼向馬氏體轉(zhuǎn)化，馬氏體組織硬度、脆性增加，塑性延性降低。

圖4 靠近端板處的焊縫斷裂

庫(kù)房驗(yàn)收時(shí)，往往僅核對(duì)到貨數(shù)量、抽查合格證與單位聯(lián)系廠家是否符合，未追溯廠家的制造資質(zhì)和真實(shí)性，對(duì)管件的外觀（裂紋、夾渣、氣孔）、尺寸規(guī)格（壁厚偏差）、法蘭密封面加工的粗糙程度、材料（化學(xué)成分、性能、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號(hào)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、批號(hào)、規(guī)格、質(zhì)量等級(jí)、鋼號(hào)等應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）以及合同中注明的各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果等也未嚴(yán)格檢查。

若施工方不能嚴(yán)格對(duì)焊接母材材質(zhì)和焊條質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，使用粗制濫造不合格焊機(jī)、管件、法蘭、墊片、閥門、緊固件等進(jìn)行施工也會(huì)造成管線腐蝕斷裂。

2.1.2 焊接質(zhì)量及質(zhì)量把控

氬氣在焊接過(guò)程中可以隔絕空氣，保護(hù)金屬溶池不被氧化，利于焊縫成型。其惰性氣體性質(zhì)使冶金反應(yīng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，能得到高質(zhì)量的焊縫。施工方采用鎢極氬弧焊時(shí)，存在焊縫背面沒(méi)有進(jìn)行氬氣保護(hù)必然影響焊接質(zhì)量。

焊前未預(yù)熱、焊接次序不當(dāng)、焊接參數(shù)不當(dāng)、焊后未進(jìn)行熱處理都會(huì)使焊件焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生程度不同的熱塑性變形而產(chǎn)生大小不一致的殘余應(yīng)力或應(yīng)力集中。焊工常直接在焊道旁引弧、試驗(yàn)電流，或是熄弧時(shí)直接將焊道引向焊件表面，而鉻鉬合金鋼按標(biāo)準(zhǔn)其焊件表面不得有電弧擦傷等缺陷。不銹鋼內(nèi)管若未進(jìn)行烘烤除硫，打磨光滑，極易在焊接過(guò)程中造成氣孔和夾渣（即使采用氬弧焊）。

對(duì)于不銹鋼產(chǎn)品的焊接，除了應(yīng)提高焊工素質(zhì)、嚴(yán)格控制焊接材料外，焊接設(shè)備的質(zhì)量也要引起高度重視。在焊接產(chǎn)品加工過(guò)程中，焊接設(shè)備是保證產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要措施，它的質(zhì)量在很大程度上決定焊接產(chǎn)品的優(yōu)劣。對(duì)焊接設(shè)備的管理也是質(zhì)量把控的一個(gè)方面。

焊工素質(zhì)差、材料不合格、焊接設(shè)備問(wèn)題等因素導(dǎo)致的焊接缺陷都可通過(guò)無(wú)損檢測(cè)被發(fā)現(xiàn)，但作為焊縫三檢中最為關(guān)鍵的一步，無(wú)損檢測(cè)卻未能嚴(yán)格執(zhí)行，焊接質(zhì)量把控上存在漏洞。

2.1.3 配管產(chǎn)生附加應(yīng)力

施工人員業(yè)務(wù)素質(zhì)不佳或未按照規(guī)范施工導(dǎo)致設(shè)計(jì)不合理、施工下料尺寸不當(dāng)、放樣偏頗、裝配順序方法不當(dāng)、強(qiáng)力組對(duì)、管托或支撐位置布置不合理（如放置在焊縫下方或熱影響區(qū)）等都會(huì)引起附加應(yīng)力。

2.1.4 熱處理的影響

殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂起著積極的作用。焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，包括碳分布不均產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力、受熱冷卻不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力、異種鋼的焊接熱膨脹系數(shù)不同引起的應(yīng)力，夾套管線焊縫距離過(guò)近導(dǎo)致熱影響區(qū)交叉引起的熱應(yīng)力等。管件在焊接或熱處理過(guò)程中，只要有相變，就會(huì)伴隨熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的發(fā)生。熱應(yīng)力是鋼件表面與心部加熱和冷卻不均所致，而組織應(yīng)力是相變產(chǎn)生所致。工件的實(shí)際應(yīng)力，就是冷卻后組織應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。材料形狀、成分、熱處理工藝等都會(huì)影響工件最后的實(shí)際應(yīng)力，若實(shí)際應(yīng)力由熱應(yīng)力主導(dǎo)，則工件心部受拉，表面受壓；若組織應(yīng)力占主導(dǎo)，則反之。奧氏體鋼的熱裂紋成因主要有以下三點(diǎn)，其一，母材、焊材含S、O等雜質(zhì)過(guò)多，形成低熔點(diǎn)化合物和共晶產(chǎn)物，如NiS+Ni （熔點(diǎn)為644℃）。其二，奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱差，而線膨脹系數(shù)卻很大，所以焊后在接頭中會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，如果焊縫形狀不合適（過(guò)窄過(guò)深）則會(huì)加劇此內(nèi)應(yīng)力。其三，奧氏體鋼結(jié)晶凝固區(qū)間大，結(jié)晶時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)晶方向性強(qiáng)，所以雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重。而磷在鋼的結(jié)晶過(guò)程中易發(fā)生枝晶偏析，使鋼韌性下降，產(chǎn)生冷脆。

大多數(shù)鋼在200～400℃加熱時(shí)便已開始應(yīng)力松弛，但奧氏體不銹鋼有效地去除應(yīng)力須在900℃以上（870℃時(shí)也只能部分去除）。若不消除殘余應(yīng)力，鋼件必然在一定時(shí)間后產(chǎn)生變形或裂紋。

2.2 腐蝕原因

在拉應(yīng)力和切應(yīng)力同時(shí)存在的條件下，最大切應(yīng)力在金屬微元體所在截面與主應(yīng)力平面成45°夾角，從斷口約為斜45°特征看，證明了內(nèi)管為應(yīng)力拉斷。因?yàn)閵A套管線斷裂區(qū)與焊接接頭的距離約150mm，屬于焊接熱影響區(qū)，所以焊接應(yīng)力對(duì)其斷裂產(chǎn)生了直接影響。長(zhǎng)夾套管件的附加重量和工作應(yīng)力在焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生了切應(yīng)力。介質(zhì)H2S、CO2、SO2、H2O混合形成濕硫化氫環(huán)境，造成硫化氫應(yīng)力腐蝕。斷口裂紋形成區(qū)成暗色和灰黑色的特點(diǎn)證實(shí)了管件斷裂主要為硫化氫應(yīng)力腐蝕。腐蝕產(chǎn)物鑲嵌在管件中，不僅產(chǎn)生拉應(yīng)力而且硫化物的聚集使材料在高溫下顯出脆化傾向。腐蝕產(chǎn)物鑲嵌在管壁中，在流體作用下會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力而加劇應(yīng)力腐蝕。此外，硫酸露點(diǎn)腐蝕、硫化腐蝕、磨損腐蝕也對(duì)內(nèi)管的腐蝕斷裂起到了加快作用。

2.2.1 影響H2S應(yīng)力腐蝕的因素

氧分壓增加，內(nèi)管介質(zhì)中高質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫元素，低pH值下的二氧化碳，鋼中Ni、S、H等，高強(qiáng)度硬度的淬硬組織，不當(dāng)?shù)臏囟取⒑附討?yīng)力和裝配附加應(yīng)力等，都會(huì)增加304不銹鋼對(duì)硫化氫應(yīng)力腐蝕敏感性。

（1）外加應(yīng)力。隨著外加壓力的增加，硫化氫應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間縮短。該廠檢修頻繁，造成加壓卸壓頻繁；管件較長(zhǎng)，存在固定不穩(wěn)的情況，故金屬材料受到交變應(yīng)力（如振動(dòng)、交變熱應(yīng)力）和腐蝕的共同作用而產(chǎn)生疲勞腐蝕使原裂紋擴(kuò)展，從而加速了H2S應(yīng)力腐蝕速度。據(jù)事故統(tǒng)計(jì)，引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的外加應(yīng)力來(lái)源的百分比分布如表2所示。

表2 應(yīng)力來(lái)源統(tǒng)計(jì)表

由表2可知，由于塑性加工變形和焊接造成的殘余應(yīng)力比重相當(dāng)大，共計(jì)90%，故在施工后進(jìn)行熱處理去除殘余應(yīng)力相當(dāng)重要。此外，設(shè)備操作時(shí)需盡量減少啟停頻次，注意緩慢開啟關(guān)閉閥門，設(shè)備固定和聯(lián)接處也需注意不能應(yīng)力裝配，暴力施工。

（2）介質(zhì)的pH值。在pH值＜7.5時(shí)，隨pH值降低，氫滲透率將增大，在pH值為4.2時(shí)最為嚴(yán)重。濕硫化氫環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕，陽(yáng)極表現(xiàn)為鐵氧化失去電子，結(jié)合成穩(wěn)定的硫化亞鐵，陰極為氫離子還原為氫原子。直徑極小氫原子極易滲進(jìn)鋼晶格內(nèi)部，產(chǎn)生極大的內(nèi)應(yīng)力。SSCC（硫化物應(yīng)力腐蝕開裂）、HIC（氫致開裂）、HB（氫鼓泡）和SOHIC（應(yīng)力導(dǎo)向氫致開裂）都屬于這一范疇。

氫匯集在裂紋缺陷處，垂直于主應(yīng)力方向發(fā)展，在三通、焊接接頭熱影響區(qū)、引弧點(diǎn)、焊瘤等影響線性流體流動(dòng)處，湍流、紊流、回流處，高應(yīng)力集中區(qū)等處都將引起應(yīng)力腐蝕開裂。

2.2.2 硫酸露點(diǎn)腐蝕

內(nèi)管中介質(zhì)為硫化氫、硫蒸氣、SO2、水蒸汽、CO2、O2等。部分二氧化硫被氧化成三氧化硫，氧化的三氧化硫與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽，未進(jìn)一步氧化的部分形成亞硫酸。含有硫蒸氣的廢氣在140℃時(shí)有硫酸結(jié)露，當(dāng)夾套管線內(nèi)管壁溫度比露點(diǎn)低時(shí)，硫酸蒸汽和亞硫酸蒸汽就會(huì)凝結(jié)在管壁上，進(jìn)而對(duì)材料造成腐蝕。因此腐蝕速率受介質(zhì)成分、蒸汽凝結(jié)速度和腐蝕介質(zhì)在凝結(jié)水中的傳輸速度的影響。

2.2.3 氧化腐蝕和硫化腐蝕

除氧氣外，CO2、H2O、SO2、H2S也引起高溫氧化。其中廢氣中的水蒸汽對(duì)鋼材具有特別強(qiáng)的腐蝕作用。反應(yīng)如下：

而介質(zhì)中的硫蒸氣、SO2、H2S等硫元會(huì)素加速金屬的高溫腐蝕。金屬硫化物膜與氧化物相比，其膜厚易脫落，高晶體缺陷，低熔點(diǎn)沸點(diǎn)，大容積比，硫化物價(jià)位多種，反應(yīng)速度較快，更低的金屬—金屬硫化物共晶點(diǎn)，使硫化物的腐蝕性更大。當(dāng)介質(zhì)中氧與硫化氫為114:1容積比時(shí)，腐蝕性最大，故降低介質(zhì)中氧的占比可以減輕硫化氫腐蝕。

2.2.4 磨損腐蝕

在管道流道改變處、應(yīng)力集中區(qū)和管件薄弱處，不可忽略水蒸汽的高速?zèng)_擊對(duì)金屬表面產(chǎn)生磨蝕作用。且發(fā)現(xiàn)該廠液硫池上方的兩個(gè)Y型過(guò)濾器已嚴(yán)重堵塞，如圖5所示，無(wú)法起到過(guò)濾作用，故必定有固體性顆粒雜質(zhì)吹入流體內(nèi)。再加上氧化脫落的硫化亞鐵等金屬性顆粒，伴隨著高速流體沖刷必將引起兩接觸面的振動(dòng)和滑移。由于頻繁開關(guān)閥門或疏水閥效果不佳導(dǎo)致金屬表面附近的流體壓力分布不均勻，蒸汽出現(xiàn)空泡和汽蝕，造成金屬表面粗化，出現(xiàn)大量直徑不等的火山口狀凹坑，凹坑如圖5所示。

圖5 堵塞的Y型過(guò)濾器

夾套管線的斷裂不是單一腐蝕的作用，是各種腐蝕相互作用和施工質(zhì)量共同影響的結(jié)構(gòu)，其中硫化氫應(yīng)力腐蝕起著主要作用。

3 控制措施

針對(duì)復(fù)雜關(guān)聯(lián)的腐蝕，可以從以下幾個(gè)方面采取措施減緩腐蝕。

3.1 合理選擇抗硫材料

由于腐蝕介質(zhì)不能改變，正確選用抗應(yīng)力腐蝕材料是最基本的需要，還可用電鍍等防腐處理使金屬或金屬覆蓋層與腐蝕介質(zhì)隔離。

Cr與碳的親和力比Ti、Nb 等弱，選用1Cr18Ni2Mo2Ti 鋼和E347-15 、H0Cr19Ni9Ti、含碳量小于0.03%的焊條焊絲等均可減少奧氏體鋼晶界貧鉻。

微量元素Cu、Sb、Cr，可讓鋼材在硫酸露點(diǎn)條件下（偏酸性），使合金層鈍化，故可減緩H2S、CO2的腐蝕速度，以達(dá)到延長(zhǎng)管件使用壽命的目的。

選擇Cr、Mo含量高于304不銹鋼的316L不銹鋼，可一定程度上減輕氫腐蝕。高鉻—鎳與高硅鉻—鎳奧氏體不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低。

采用雙相組織焊縫，如焊縫中有5% 左右的鐵素體時(shí)，可打亂奧氏體柱狀晶的方向；采用堿性焊條，嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)硫、磷的含量可減少奧氏體不銹鋼的熱裂紋、冷裂紋。

3.2 合理的焊接工藝

管件開坡口盡量選擇機(jī)械切割，若用割炬進(jìn)行切割，坡口應(yīng)平整光滑無(wú)氧化皮。合理選擇焊接參數(shù)（焊接電流、電壓、保護(hù)氣體、焊速）和焊接工藝方法（TIG、焊接次序）。

304不銹鋼焊接過(guò)程中不宜采用大的電流電壓，避免焊件受熱不均產(chǎn)生變形。不銹鋼應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行引弧，在上一層焊道冷卻后再進(jìn)行施焊。內(nèi)管焊接單面對(duì)接焊縫需用氬弧焊打底，以確保焊縫成型，減少氣孔夾渣和焊瘤。如不是整體更換，對(duì)于舊管線接頭處，還應(yīng)對(duì)舊管線進(jìn)行烘烤除硫。按《SH3501-2011石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》要求，奧氏體不銹鋼管熱彎或熱處理后的硬度小于HB190。

（1）焊接參數(shù)的選擇。①焊接電流：要根據(jù)焊件厚度、接頭形式、焊接位置等因素來(lái)選用焊接電流，除此還要考慮鎢極所承受電流的能力。焊接電流過(guò)大、容易產(chǎn)生燒穿或使焊縫下沿和咬邊等缺陷，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起鎢極燒損或產(chǎn)生夾鎢等缺陷。焊接電流過(guò)小，電弧燃燒不穩(wěn)定，會(huì)造成未焊透等缺陷。②電弧電壓：主要取決于焊接過(guò)程中電弧的長(zhǎng)度，電弧拉長(zhǎng)，電弧電壓增大，熔寬增寬，熔深變淺。當(dāng)電弧電壓過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致焊接電弧不穩(wěn)，易產(chǎn)生未焊透、未熔合和熔池保護(hù)不佳等缺陷。應(yīng)在保證電弧不短路的情況下，盡量減少弧長(zhǎng)，電弧電壓一般控制在9～20V范圍內(nèi)，最常用的電弧電壓為9～14V。③焊接速度：為了不破壞氣流對(duì)熔池的保護(hù)作用，焊接速度一般不宜過(guò)快。在保證焊后的焊縫金屬和母材金屬不被氧化的前提下，為了提高生產(chǎn)效率，盡可能加快焊接速度；同時(shí)焊接速度的提高，焊接接頭在危險(xiǎn)溫度400～850℃停留時(shí)間相對(duì)會(huì)減少，有利于提高焊接接頭耐腐蝕性能和減小熱裂紋。④氬氣純度與流量：焊接奧氏體型不銹鋼時(shí)，氮?dú)饧兌炔坏陀?9.9%(體積分?jǐn)?shù)) ，氬氣純度愈高，保護(hù)效果愈好。氣體流量過(guò)低，氣體挺度不足，排除周圍空氣的能力減弱，造成熔池保護(hù)效果不佳；氣體流量過(guò)大，容易將熔池周圍的空氣卷入熔池，形成氣體紊流，也會(huì)降低保護(hù)效果。⑤鎢極：鎢極端頭愈尖愈易燒損。燒損后將導(dǎo)致電弧電壓增高，直接影響熔池保護(hù)效果，也會(huì)使焊縫氧化甚至產(chǎn)生焊縫寬度不均的缺陷。⑥電極極性：為了減少鎢極燒損，延長(zhǎng)鎢極壽命，一般采用直流電源正接，也可用交流氬弧焊機(jī)焊接奧氏體不銹鋼。⑦冷卻水流量：焊槍額定電流大于160A時(shí)，焊接前焊槍須通冷卻水，焊接完成須滯后停止冷卻水。冷卻水流量不得小于1L/min，否則焊機(jī)無(wú)法啟動(dòng)或易燒毀焊槍。

焊接電流、噴嘴直徑和保護(hù)氣體流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 焊接電流、噴嘴直徑和保護(hù)氣體流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

（2）提高氣體保護(hù)效果的工裝。為了使焊接接頭正面和背面得到可靠保護(hù)，可采用工藝裝備來(lái)提高保護(hù)效果（圖6、7、8）。

圖6 管件保護(hù)焊工裝

圖7 對(duì)接焊背面通氬氣保護(hù)墊板

圖8 角焊背面保護(hù)罩和加強(qiáng)冷卻的裝置

3.3 夾套管線的施工規(guī)范

施工方統(tǒng)一內(nèi)外管材質(zhì)為同種材質(zhì)不銹鋼，應(yīng)嚴(yán)格按照《SH/T 3546-2011 石油化工夾套管施工及驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行施工和驗(yàn)收（無(wú)損檢測(cè)等手段），內(nèi)管對(duì)接焊接接頭檢測(cè)百分比（100%）、合格等級(jí)（JB/T4730.2的Ⅱ級(jí)）等不應(yīng)因工期緊趕進(jìn)度等原因而降低。

一般內(nèi)管液壓試驗(yàn)壓力為1.5倍內(nèi)外管最高設(shè)計(jì)壓力，但考慮到304不銹鋼在使用溫度下的許用應(yīng)力為130MPa，比常溫低了7MPa，內(nèi)管液壓試驗(yàn)壓力取1.6倍蒸汽壓力，即0.64MPa。進(jìn)行必要的內(nèi)管探傷和壓力試驗(yàn)，避免焊接缺陷等引起的腐蝕開裂。

3.4 去應(yīng)力退火工藝

一定程度的焊后整體或局部熱處理，能有效減少焊后應(yīng)力腐蝕開裂。許多情況下，去除部分應(yīng)力，也可減少管件的應(yīng)力腐蝕開裂。對(duì)于含有較多合金元素的奧氏體304不銹鋼，為減少其焊接中發(fā)生熱裂紋和偏析，可采取必要的固溶處理（1050～1100℃）、穩(wěn)定化處理（850～900℃）、去應(yīng)力處理（300～350℃）。固溶處理使合金元素充分溶解，快冷方式可為水冷，心部對(duì)表面產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力對(duì)于以后工作應(yīng)力的迭加是有利的，且?jiàn)W氏體不銹鋼不會(huì)產(chǎn)生淬硬。在850～900℃進(jìn)行保溫2h的穩(wěn)定化處理可使組織內(nèi)部鉻均勻擴(kuò)散，若晶界處的含鉻量大于12%，則不會(huì)造成晶間腐蝕。焊后熱處理加熱溫度需避免在500～850℃的敏化區(qū)間停留較長(zhǎng)時(shí)間而發(fā)生晶間腐蝕而使脆性增大。故為減少晶間腐蝕，通常僅當(dāng)管件在應(yīng)力腐蝕的環(huán)境下，才進(jìn)行去應(yīng)力退火。

3.5 加強(qiáng)材料設(shè)備使用管理

夾套管線組成件的質(zhì)量證明文件應(yīng)清晰注明其制造廠商標(biāo)和代號(hào)以證明其資質(zhì)的真實(shí)性，材料（產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號(hào)及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、爐號(hào)、批號(hào)、規(guī)格、質(zhì)量等級(jí)、鋼號(hào)等應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范）以及合同中注明的各項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果，質(zhì)檢部門印記，原材料化學(xué)成分和力學(xué)性能。從標(biāo)志應(yīng)能追溯到產(chǎn)品質(zhì)量證明文件。

對(duì)于母材材質(zhì)的質(zhì)量控制，奧氏體不銹鋼需按SH3501的規(guī)定可用光譜分析法對(duì)其主要的合金元素含量進(jìn)行材質(zhì)檢測(cè)，并出具材質(zhì)檢驗(yàn)證明書，合格與否需做好相應(yīng)記錄和標(biāo)志。必要時(shí)還需要注有晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)論的產(chǎn)品質(zhì)量證明書。材料入庫(kù)驗(yàn)收方應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行抽檢制度，對(duì)不合格的批次不能予以驗(yàn)收。不同管件應(yīng)分類存放，不銹鋼和碳鋼不得接觸。焊條焊絲焊接材料在入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)查驗(yàn)其正規(guī)廠家生產(chǎn)的合格證。如低氫型電焊條等，還應(yīng)按規(guī)定溫度進(jìn)行烘烤保溫再行發(fā)放使用。

盡量提高蒸汽溫度，防止酸氣結(jié)露；盡量減少裝置的開停車，在切換過(guò)程中，盡可能使壓力平穩(wěn)升降，以免造成應(yīng)力和疲勞破壞。蒸汽夾套管線操作時(shí)應(yīng)充分暖管，緩慢開啟控制閥門恒溫1h后再進(jìn)行吹掃，連續(xù)吹掃10min以上，重復(fù)3～4次。做好管線的固定，周期性地進(jìn)行管件壁厚測(cè)量和Y型過(guò)濾器的清洗疏通，一旦內(nèi)管腐蝕穿孔，發(fā)生泄漏或斷裂，內(nèi)管介質(zhì)進(jìn)入蒸汽管網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕，其后果不堪設(shè)想。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合對(duì)此夾套內(nèi)管不銹鋼失效原因的簡(jiǎn)單分析，為確保該廢氣管線或類似夾套管線的安全運(yùn)行，需在施工時(shí)注意選材，嚴(yán)格管理材料和設(shè)備，采用合理的夾套管線安裝布管方式，焊接中嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，施工后做好焊縫驗(yàn)收及管線試壓，做好不銹鋼管件的熱處理；使用中控制好壓力及溫度波動(dòng)，定期測(cè)厚，盡量減少開停產(chǎn)加壓泄壓的頻度，才能有效延長(zhǎng)管線的使用壽命。施工方宜統(tǒng)一夾套管線內(nèi)外管材質(zhì)，嚴(yán)格按照夾套管線規(guī)范施工，使用方注意平時(shí)的操作和監(jiān)護(hù)運(yùn)行后，此夾套管線腐蝕失效頻率明顯降低。

[1]閆高倫， 黎萬(wàn)林. 原料氣過(guò)濾分離器失效原因淺析[J]. 化工裝備技術(shù)， 1996(5):19-21.

[2]蔣平，王維. 工程力學(xué)基礎(chǔ). Ⅱ， 材料力學(xué)[M]. 高等教育出版社， 2009.

[3]含硫氣井腐蝕破裂譯文(七)——鋼鐵充氫應(yīng)力腐蝕[M].四川石油局科技情報(bào)科， 1966.

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