某氫氣緩沖罐表面裂紋原因分析

董萬奎* 董長貴

（上?；瘜W工業(yè)檢驗檢測有限公司）

2018 年7 月，對某企業(yè)在用的氫氣緩沖罐進行定期檢驗時，在筒體與底部封頭的T 型焊縫處發(fā)現(xiàn)了明顯的表面裂紋（如圖1 所示）。將焊縫進行打磨至深約20 mm 處，裂紋未消失，且沿環(huán)焊縫呈擴展趨勢，測得裂紋長約為170 mm（如圖2 所示）。該氫氣緩沖罐無法滿足檢驗評級要求，需對裂紋產(chǎn)生原因進行分析并對緩沖罐進行維修處理。

該氫氣緩沖罐由國內(nèi)知名壓力容器制造廠設計并制造，于2005 年7 月投入使用，在該次定期檢驗時設備的出廠資料已遺失。查詢往期定期檢驗報告可知，其原設計介質(zhì)為一氧化碳，內(nèi)徑為 900 mm，高為3 965 mm，設計壓力為22 MPa，設計溫度為100 ℃，材質(zhì)為復合鋼板，其中基材為16MnR，厚度為75 mm，覆材為321 不銹鋼，厚度為4 mm。該設備于2008 年停用，在2010 年經(jīng)改造后恢復使用，改造后使用介質(zhì)變更為氫氣，使用壓力變更為5.0 MPa，使用溫度變更為40 ℃，設備結構不變。改造后該設備分別在2010 年8 月、2013 年8 月進行了兩次定期檢驗，檢驗結果均為正常。

圖1 氫氣緩沖罐裂紋示意圖

圖2 氫氣緩沖罐打磨后裂紋情況

對表面裂紋進行打磨后發(fā)現(xiàn)，裂紋隨打磨深度增加而向兩側擴展，且裂紋位置沿母材逐漸向焊縫中心切斜。打磨至深約20 mm 時，測量得到裂紋的長度約為170 mm。為了確認焊縫內(nèi)部裂紋情況，現(xiàn)場沿缺陷處環(huán)焊縫另外選取了8 處進行打磨，這8 處進行表面無損檢測時均未發(fā)現(xiàn)有表面裂紋，但打磨至深約15 mm 處時，卻都在焊縫兩側邊緣發(fā)現(xiàn)裂紋。由此可見，該環(huán)焊縫內(nèi)部裂紋情況嚴重，且初步判定該裂紋是由內(nèi)部向外擴展至表面。

1 現(xiàn)場檢測

1.1 材質(zhì)檢測

該設備采用復合鋼板制作，按照設計標準要求，最后一道環(huán)焊縫應采用不銹鋼焊材焊接，因此推測該焊縫可能為異種鋼焊接。因此，首先采用便攜式X射線光譜儀對裂紋處環(huán)焊縫及母材進行了材質(zhì)分析，結果可見表1。

表1 焊縫處母材及焊縫材料的化學成分（體積分數(shù)） %

根據(jù)光譜儀分析得到的結果可以確認，筒體及封頭外壁母材材質(zhì)為16MnR，焊縫材質(zhì)為309 不銹鋼，因此檢出裂紋的焊縫為奧氏體不銹鋼與低合金鋼異種鋼焊接的熔合部位。

1.2 焊縫內(nèi)部缺陷檢測

為了確定焊縫內(nèi)部缺陷情況，進一步對該環(huán)焊縫進行了100%超聲檢測。檢測發(fā)現(xiàn)所有裂紋均在沿焊縫坡口處擴展，且未見明顯的裂紋分支，裂紋最大深度約為55 mm。焊縫內(nèi)部除裂紋外未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，基本排除原生焊接缺陷引發(fā)裂紋的可能性。

通過超聲檢測可以確定該裂紋沿焊接熔合區(qū)擴展，主要存在于焊縫內(nèi)部，且僅局部擴展至表面。同時對設備上封頭與筒體連接環(huán)焊縫、筒體縱焊縫進行了超聲檢測，均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋缺陷。

1.3 壁厚測定

使用超聲波測厚儀對焊縫附近筒體、封頭的母材進行壁厚測定，結果如表2 所示。

表2 焊縫附近壁厚測定結果 mm

根據(jù)壁厚測定結果，可以判斷筒體內(nèi)部無明顯腐蝕缺陷，復合鋼板未發(fā)生分層情況，基本排除了因設備內(nèi)部腐蝕或復合鋼板分層破壞引發(fā)裂紋的可能性。

2 裂紋原因分析及討論

根據(jù)壁厚測定情況，可以排除因設備內(nèi)部腐蝕及復合鋼板破壞引發(fā)裂紋的可能性。同時，在壓力容器使用過程中，由應力腐蝕開裂（SCC）引發(fā)氫致開裂造成內(nèi)部裂紋的情形較為常見，但該氫氣緩沖罐所儲氫氣來自煤化工焦化合成氣，氫氣質(zhì)量分數(shù)達99.99%以上，其主要成分及雜質(zhì)可見表3。從表3 中可以看出，氫氣中Cl、S、水的含量均很低，遠遠低于可引發(fā)氯化物應力腐蝕開裂（需存在氯化物水溶液或有局部氯化物濃縮）、濕硫化氫應力腐蝕開裂（硫化氫分壓大于0.003 MPa）的條件。且在壁厚測定時未發(fā)現(xiàn)明顯減薄現(xiàn)象，排除了內(nèi)部存在氫鼓包和氫致開裂引發(fā)鋼材內(nèi)部分層的情況。經(jīng)分析后可以排除由應力腐蝕開裂引發(fā)裂紋的可能性。經(jīng)詳細查閱行業(yè)相關研究及文獻資料，基本可以確定本次檢出裂紋為氫脆裂紋。在實際檢測中也發(fā)現(xiàn)該裂紋沿焊縫熔合區(qū)擴展，整個環(huán)焊縫中存在嚴重的連續(xù)性裂紋，且裂紋無明顯分支，符合氫脆裂紋的典型特征。

表3 氫氣緩沖罐內(nèi)氫氣成分表（質(zhì)量分數(shù)）

氫脆是指在制造、焊接或服役等過程中，氫通過吸附、滲透進入材料，通過擴散在金屬中的某一局部區(qū)域，使其韌性下降，并在殘余應力及外部載荷作用下發(fā)生脆性斷裂，一般表現(xiàn)為氫致塑性減損、氫誘發(fā)裂紋、氫致滯后斷裂等[1-2]。當使用環(huán)境滿足以下3 個條件時氫脆裂紋較易發(fā)生：（1）鋼或合金中的氫達到臨界濃度；（2）鋼或合金的強度水平和組織對脆斷敏感；（3）殘余應力和外加載荷共同作用造成的應力高于氫脆開裂的臨界應力[1]。現(xiàn)針對實際設備裂紋情況，逐一進行分析。

2.1 鋼中氫的濃度

鋼中氫的來源有“內(nèi)含”和“外來”2 種：前者是指材料在冶煉及隨后的機械制造（如焊接、酸洗、電鍍等）過程中所吸收的氫；后者是指材料在臨氫環(huán)境使用過程中吸收的氫[2]。

在氫氣緩沖罐焊接過程中必然會有焊材中的氫元素夾帶入焊縫中，根據(jù)壓力容器制造標準要求，16MnR 制厚壁容器（厚度大于30 mm）焊接完成后需進行焊后熱處理，從而降低材料的焊接應力，并使焊接時帶入的氫溢出。雖然該設備的出廠資料遺失了，但前次檢驗報告顯示其出廠資料齊全、制造監(jiān)檢正常。因此，初步判斷該設備在制造過程中已按照標準要求進行了焊接工藝評定及焊后熱處理。同時在檢驗時，對上封頭與筒體連接環(huán)焊縫、筒體縱焊縫進行超聲檢測時均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋缺陷，印證了以上判斷。但是，309 不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，不能進行熱處理，而該焊縫采用309 不銹鋼焊材焊接，因此，該焊縫不可避免地存在“內(nèi)含”氫情況。

氫氣緩沖罐常用于臨氫環(huán)境，罐內(nèi)微量氫氣會以原子形式進入金屬內(nèi)部。擴散入鋼材中的氫含量主要受到飽和溶解度及擴散系數(shù)的影響，309 不銹鋼中氫的飽和溶解度可根據(jù)Sievert 定律計算[3]：

式中：K0,ΔE——相關系數(shù),由金屬材料性質(zhì)決定；

pH2——氫分壓，MPa；

T——溫度，℃。

根據(jù)式（1）可以算出309 不銹鋼焊縫在25 ℃，5.0 MPa 氫分壓下的飽和溶解度S 為5.42 mg/m3。

氫在鋼材內(nèi)的含量還與氫在鋼材內(nèi)的擴散行為有關。相關研究資料顯示，25 ℃時氫在鋼材中的擴散系數(shù)為1.92×10-16m2/S[3]，且不隨時間變化而增加。該焊縫表面的氫飽和溶解度、擴散系數(shù)均很低，一般不會有大量氫擴散至鋼材內(nèi)。但擴散入鋼材內(nèi)的氫主要以原子形式存在，并不斷向鋼材表面擴散，且在鋼材中的錯位、缺陷及其他形式的氫陷阱（有捕捉氫能力的元素或碳化物M23C6）等位置附近聚集[3-4]。隨著時間推移，擴散入鋼材內(nèi)部的氫原子越來越多，且沒有有效的溢出方式。若母材內(nèi)僅殘留1 mg/m3的氫且其結合成為分子，會產(chǎn)生約1. 95 ×105MPa的壓力。檢出裂紋缺陷的焊縫處是易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的位置，在焊縫的組織分析中將進行進一步討論。

2.2 鋼的強度和組織的脆斷敏感性

該焊縫外側母材為16MnR，焊材為309 不銹鋼，兩者均不屬于高強度鋼，基本可以排除因鋼材或焊縫自身強度過高引發(fā)脆斷敏感的可能性。

由于現(xiàn)場條件的限制，檢驗時無法進行有效的金相檢測，因此未能對焊縫及熔合區(qū)的金相組織進行觀察。該焊縫處存在309 奧氏體不銹鋼和16MnR 低合金鋼的異種鋼焊接情況，查詢大量資料并進行分析后可知，在焊縫熔合區(qū)若存在奧氏體相、珠光體、鐵素體相的焊接熔合體，焊接時會出現(xiàn)馬氏體相。同時，擴散氫會使不銹鋼氫致馬氏體化，沿馬氏體產(chǎn)生微裂紋，同時發(fā)生附加的塑性損失[5]。熔合區(qū)金屬處于局部融化狀態(tài)，晶粒十分粗大，化學成分及組織分布極不均勻，在異種鋼焊接處尤為嚴重。隨著該區(qū)域的擴散氫越來越多且集聚程度增強，部分氫會結合成為氫分子，使母材產(chǎn)生較大的內(nèi)應力。

最終，在焊接過程中導致焊縫“內(nèi)含”的氫及在設備使用過程中“外來”的氫均在焊縫熔合區(qū)集聚，受到應力影響后，在焊縫中的馬氏體組織附近萌生氫脆裂紋。隨著使用中擴散氫的集聚和進一步擴散，初始裂紋在應力作用下沿熔合區(qū)向左右及外部擴展，擴展的速度和部位受到局部應力水平的影響。

2.3 殘余應力和外加載荷分析

在焊接過程中，焊接殘余應力最大值位于焊縫中心位置，越遠離焊縫中心，應力值逐漸減小。在按標準制造的壓力容器設備中，焊接殘余應力最大值位于T 型焊縫處。

在徑向應力和周向應力作用下，鋼材內(nèi)部萌生的微裂紋主要在鋼材內(nèi)周向擴展及向外擴展，在T 型焊縫處向外擴展程度最嚴重。該設備在往期檢驗中未進行內(nèi)部無損檢測，初始階段的內(nèi)部裂紋未能有效檢出，在徑向應力作用下，T 型焊縫位置的裂紋最先擴散至表面。而此時，焊縫內(nèi)部的周向裂紋早已形成并延伸已久。根據(jù)檢測結果可知，環(huán)焊縫的熔合區(qū)基本已形成連通性內(nèi)部裂紋，危險性極大。

氫氣緩沖罐常用于常溫、無腐蝕性環(huán)境，在使用及檢驗過程中，一般認為其設備本身安全狀況較好，不易產(chǎn)生異常損傷。在日常管理過程中，較少對設備本身的材質(zhì)及內(nèi)部缺陷情況進行檢查；定期檢驗時，一般也以宏觀檢查、壁厚測定、外表面無損檢測為主，較少進行鋼材內(nèi)無損檢測。在本次檢驗中發(fā)現(xiàn)設備存在外表面裂紋時，焊縫內(nèi)部裂紋已經(jīng)非常嚴重了。其主要原因是內(nèi)部裂紋萌生已久，隨時間推移，形成了嚴重的連通性裂紋，最終擴展至焊縫表面。

2.4 裂紋原因及相應措施

綜合分析后可以確定，該氫氣緩沖罐焊縫是受到制造、使用過程中各類因素作用而產(chǎn)生了內(nèi)部裂紋，并隨時間推移擴展至表面。該類損傷在同類設備中較為少見，使用單位對該類損傷模式的重視程度較低。如在檢驗中未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，而內(nèi)部裂紋已異常嚴重的情況下繼續(xù)使用該設備，將埋下重大的安全隱患。該裂紋產(chǎn)生的主要影響因素及預防措施歸納如下。

（1）制造因素

產(chǎn)生裂紋的焊縫為異種鋼焊接焊縫，容易導致晶粒粗大及產(chǎn)生馬氏體相，且焊接產(chǎn)生的氫在普通的后熱處理過程中無法逸出，造成熔合區(qū)氫致開裂敏感、氫原子較易集聚。因此在異種鋼焊接過程中，應采用低氫焊條，嚴格按照標準要求進行烘干。焊后應按照不銹鋼的溫度要求進行焊后消氫處理，釋放焊縫中滯留的氫，并消除焊縫內(nèi)部的馬氏體組織。

（2）使用因素

氫極易擴散至鋼材內(nèi)部，因此除了氫氣本身屬于易燃易爆介質(zhì)外，氫氣緩沖罐自身的結構狀態(tài)也并不像人們想象的那么“安全”。在氫擴散、制造缺陷及環(huán)境因素的共同作用下，氫氣緩沖罐在使用過程中可能產(chǎn)生氫致開裂等現(xiàn)象。日常檢查中，應定期對常溫氫氣緩沖罐等設備進行氣密性檢驗、外表面宏觀檢查，盡早發(fā)現(xiàn)設備的異常狀態(tài)，避免設備失效。

（3）檢驗因素

氫氣緩沖罐的使用環(huán)境相對安全，在年度檢驗及定期檢驗時較少對氫氣緩沖罐進行內(nèi)部缺陷檢測。但臨氫環(huán)境是石化行業(yè)較為常見的使用環(huán)境，對所用設備的影響性也是多種多樣的。檢驗時，需結合設備綜合狀態(tài)進行設備損傷的可能性分析。對于在臨氫環(huán)境中使用的設備應加大內(nèi)部缺陷檢測比例，發(fā)現(xiàn)其中的埋藏缺陷，避免設備存在內(nèi)部氫脆裂紋等缺陷。

3 結論

本次定期檢驗中發(fā)現(xiàn)氫氣緩沖罐焊縫產(chǎn)生裂紋的主要原因是氫脆引發(fā)內(nèi)部裂紋，并擴展至焊縫表面。引起氫脆裂紋的主要因素是制造過程中有殘余氫、制造形成的組織具有不安全性、使用過程中氫擴散入鋼材內(nèi)部等。在氫氣緩沖罐的制造過程中應注意控制焊接質(zhì)量，并按照較高的鋼材消氫處理條件要求進行消氫處理，且在設備使用過程中對臨氫環(huán)境設備進行重點檢查。定期檢驗時有必要對氫氣緩沖罐進行內(nèi)部缺陷檢測。