加氫裝置用奧氏體不銹鋼管道焊后熱處理問(wèn)題

吉章紅

（石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站，北京 100101）

1 加氫裝置反應(yīng)部分管道的材料選擇

目前高壓加氫裝置主要有加氫精制、加氫處理、加氫裂化、渣油加氫和潤(rùn)滑油加氫等。高壓加氫裝置反應(yīng)部分管道操作溫度和操作壓力較高，介質(zhì)含有硫化氫+氫，存在高溫氫腐蝕、高溫氫+硫化氫腐蝕、高溫硫腐蝕等腐蝕類型，對(duì)于高酸原油還存在高溫環(huán)烷酸腐蝕，裝置停工期間可能發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕。

1.1 基于高溫強(qiáng)度的材料選擇

加氫裝置反應(yīng)部分管道的操作壓力和操作溫度都比較高，因此管道材料必須考慮高溫強(qiáng)度，表1 列出了常用高溫材料的高溫強(qiáng)度[1]?；诟邷貜?qiáng)度進(jìn)行材料選擇，可以選擇表1 中的材料，高溫強(qiáng)度比較，P91＞P9＞TP304H＞TP321＞TP347。

表1 常用高溫材料的高溫強(qiáng)度

1.2 基于耐腐蝕性的材料選擇

無(wú)H2硫腐蝕根據(jù)McConomy 曲線進(jìn)行選材，一般情況P9可以耐無(wú)H2硫腐蝕，H2/H2S 腐蝕與無(wú)H2腐蝕的不同是低合金鋼直到12Cr，在避免H2/H2S 腐蝕方面基本沒(méi)有影響。18Cr-8Ni不銹鋼是最通常選擇[2]。實(shí)際上，只考慮運(yùn)行期間的腐蝕，300 系列奧氏體不銹鋼是可以的，但考慮到裝置停工期間的連多硫酸應(yīng)力腐蝕，304H 不可用。

2 加氫裝置反應(yīng)部分管道選用321 和347 存在的問(wèn)題

2.1 321 和347 不銹鋼母材

設(shè)計(jì)在加氫裝置反應(yīng)部分管道選用的不銹鋼管道材料為347 或321，并要求材料以固溶+穩(wěn)定化熱處理供貨。2004 年國(guó)際防腐蝕年會(huì)的一篇報(bào)告也列舉了美國(guó)石油化工企業(yè)和煉油廠生產(chǎn)實(shí)踐中幾種不銹鋼的最高操作溫度推薦值（表2），從中可以看出，這篇報(bào)告認(rèn)為經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理的321 不銹鋼需要考慮敏化的起始溫度是454 ℃，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理的347 不銹鋼的起始溫度是538 ℃。工業(yè)實(shí)踐表明，加氫裝置反應(yīng)部分管道選用321 和347 材料，在使用過(guò)程中并未出現(xiàn)問(wèn)題，是安全的。

2.2 321 和347 的焊接接頭

2.2.1 321 和347 不銹鋼焊接接頭的敏化

前面已經(jīng)提到，連多硫酸應(yīng)力腐蝕的必要條件之一是不銹鋼出現(xiàn)了敏化組織。321 和347 不銹鋼由于存在Ti、Nb，形成了穩(wěn)定的TiC、NbC，固定了大部分的C，焊接時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)敏化區(qū)。但是焊接時(shí)在熔合區(qū)的1200 ℃以上，特別是1300 ℃以上，大部分的TiC 溶解，小部分NbC 溶解（TiC 的溶解溫度低于NbC 的溶解溫度）[3]，TiC、NbC 分解出來(lái)的碳原子插入到奧氏體點(diǎn)陣間隙中，Ti、Nb 占據(jù)奧氏體點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)空缺位置。冷卻時(shí)碳原子趨向奧氏體晶粒周邊運(yùn)動(dòng)，Ti、Nb 來(lái)不及擴(kuò)散而保留在原地，碳將析集于晶界附近成為過(guò)飽和狀態(tài)。這種狀態(tài)如果再經(jīng)過(guò)中溫敏化加熱，將發(fā)生Cr23C6沉淀，形成晶界貧Cr 區(qū)，越靠近熔合區(qū)，貧Cr 越嚴(yán)重，因此形成著名的“刀狀腐蝕”。顯然，高溫過(guò)熱和中溫敏化相機(jī)作用，是“刀狀腐蝕”的必要條件[4]。

表2 最高操作溫度

焊接接頭緊靠熔合線很窄的區(qū)域在焊接過(guò)程中高溫過(guò)熱，生產(chǎn)運(yùn)行中要經(jīng)過(guò)中溫敏化，這部分區(qū)域在裝置停車期間可能會(huì)發(fā)生連多硫酸應(yīng)力腐蝕。因此大部分設(shè)計(jì)文件要求操作溫度高于350 ℃的管線，焊接接頭進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理。

2.2.2 321 和347 不銹鋼焊接接頭穩(wěn)定化熱處理的問(wèn)題

施工過(guò)程中347 材料管道焊接接頭經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化熱處理后，部分焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋，隨著壁厚增加，裂紋程度嚴(yán)重。321 管道也出現(xiàn)類似問(wèn)題。同時(shí)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化處理后，焊接接頭的機(jī)械性能有所下降，但不影響使用。

與低合金鋼的再熱裂紋出現(xiàn)在熱影響區(qū)不同，奧氏體不銹鋼的再熱裂紋在熱影響區(qū)和焊縫都有出現(xiàn)[5]。347 材料的再熱裂紋敏感性大于321 材料，但321 材料焊接焊材采用347，因此焊縫在穩(wěn)定化熱處理時(shí)也會(huì)發(fā)生再熱裂紋。出現(xiàn)再熱裂紋的情況主要有3 個(gè)特點(diǎn)。

（1）347 焊接接頭的再熱裂紋出現(xiàn)在熱影響區(qū)或焊縫，321焊接接頭的再熱裂紋一般出現(xiàn)在焊縫區(qū)。

（2）壁厚40 mm 及以上的材料更容易出現(xiàn)再熱裂紋，壁厚25 mm 及以下的材料基本不出現(xiàn)。

（3）粗晶材料更容易出現(xiàn)再熱裂紋。

3 321 和347 不銹鋼出現(xiàn)再熱裂紋的原因及改善措施

3.1 產(chǎn)生再熱裂紋的原因分析

再熱開(kāi)裂需要有高應(yīng)力，因此在較厚截面發(fā)生再熱開(kāi)裂的可能性更高；當(dāng)蠕變延性不足以適應(yīng)釋放施加的或剩余應(yīng)力要求的應(yīng)變時(shí)，再熱開(kāi)裂在溫升時(shí)發(fā)生；再熱開(kāi)裂可能發(fā)生在焊后熱處理或在高溫下工作的條件下（加氫裝置反應(yīng)部分管道的操作溫度不會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋）。在上述兩種條件下，裂紋是晶間的，不表現(xiàn)或表現(xiàn)出少量變形跡象；細(xì)的晶內(nèi)析出顆粒使晶粒比晶粒邊界更有強(qiáng)度，并且使蠕變變形在晶粒邊界出現(xiàn)。

對(duì)壁厚25 mm 及以下的薄壁材料，焊接應(yīng)力相對(duì)較小，熱處理過(guò)程中應(yīng)力消除也足夠快，因此不易產(chǎn)生再熱裂紋；但對(duì)于厚壁材料，現(xiàn)場(chǎng)熱處理時(shí)內(nèi)外壁溫差大，熱應(yīng)力比較大，極易產(chǎn)生再熱裂紋。

粗晶材料相對(duì)晶界較少，單位長(zhǎng)度的晶界內(nèi)鈦或鈮的碳化物更多，而且較大的晶粒降低了塑性，從而增加了粗晶材料產(chǎn)生再熱裂紋的傾向性。

3.2 減小再熱裂紋傾向的措施

現(xiàn)場(chǎng)試圖找到預(yù)防再熱裂紋的措施，但目前為止沒(méi)有肯定的措施。現(xiàn)場(chǎng)321、347 不銹鋼的熱處理，部分沒(méi)有出現(xiàn)再熱裂紋，而出現(xiàn)再熱裂紋的現(xiàn)場(chǎng)也很多，尚無(wú)能免除再熱裂紋的措施，但是也有了一些改善措施。

（1）母材的晶粒度應(yīng)控制在4～7 級(jí)。曾有現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的再熱裂紋均出現(xiàn)在管件一側(cè)的熱影響區(qū)，而管道一側(cè)及焊縫均未出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)場(chǎng)金相檢查發(fā)現(xiàn)管件的晶粒粗于4 級(jí)，甚至還有1 級(jí)0 級(jí)晶粒。

（2）減少應(yīng)力集中。管件一側(cè)的再熱裂紋多余直管段，說(shuō)明管徑的突變?cè)黾恿嗽贌崃鸭y傾向；焊道與焊道之間的溝槽出現(xiàn)的再熱裂紋較多，也說(shuō)明焊縫表面的缺口增加了再熱裂紋傾向，因此焊接時(shí)要小心控制焊縫表面質(zhì)量，必要時(shí)對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨。

（3）減小熱處理溫差和溫差應(yīng)力。但對(duì)于管道的現(xiàn)場(chǎng)熱處理絕大部分只能從單面加熱，難于做到內(nèi)外均勻加熱。有的現(xiàn)場(chǎng)要求降低加熱速度和冷卻速度，但這樣會(huì)增加熱處理區(qū)敏化溫度時(shí)間的延長(zhǎng)，導(dǎo)致碳化物析出增多而產(chǎn)生敏化；加熱造成的負(fù)面影響在保持溫度消除——碳化物溶解，但慢速冷卻造成的負(fù)面影響會(huì)保留。當(dāng)然冷卻速度的減小一定程度上可以減小殘余應(yīng)力，但穩(wěn)定化熱處理的目的并不是消除應(yīng)力，而是為了使靠近熔合線部分的母材TiC 和NbC 重新析出。事實(shí)上現(xiàn)場(chǎng)局部穩(wěn)定化熱處理減小殘余應(yīng)力的效果有限，同時(shí)連多硫酸腐蝕的應(yīng)力門檻值區(qū)域0[6]，試圖通過(guò)消除殘余應(yīng)力防止連多硫酸腐蝕是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

（4）選用適當(dāng)?shù)暮附硬牧虾秃附訁?shù)，避免焊縫的微裂紋。焊縫出現(xiàn)的再熱裂紋，不能排除與焊接時(shí)產(chǎn)生的微裂紋有關(guān)，這些微裂紋采用通常的無(wú)損檢測(cè)不能發(fā)現(xiàn)。要做到這一點(diǎn)，保證焊縫中有足夠的鐵素體數(shù)（FN）是首要的，同時(shí)采用小的焊接參數(shù)是有益的[7]。沒(méi)有必要擔(dān)心鐵素體的σ 化，這是因?yàn)椋孩佴?在大于850 ℃會(huì)溶解，也就是在穩(wěn)定化熱處理過(guò)程中σ 相會(huì)消除；②同時(shí)穩(wěn)定化熱處理也會(huì)使鐵素體含量減少；③σ 相與再熱裂紋無(wú)關(guān)；④FN 足夠就好，對(duì)于347 成分的焊縫，F(xiàn)N 不大于8，及時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?相也不會(huì)形成網(wǎng)狀，對(duì)韌性的損失有限。

4 穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼焊后穩(wěn)定化熱處理的合理要求

在加氫裝置的管道設(shè)計(jì)文件中一般要求操作溫度高于350 ℃要進(jìn)行焊接接頭穩(wěn)定化熱處理。對(duì)奧氏體不銹鋼的焊后熱處理，各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒(méi)有給出明確的指導(dǎo)性規(guī)定。對(duì)于奧氏體不銹鋼是否熱處理，國(guó)內(nèi)的專家也有焊后進(jìn)行和不進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理兩種不同意見(jiàn)。

加氫裝置穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼大多數(shù)是用在高溫腐蝕環(huán)境、且在停工檢修時(shí)可能遭遇連多硫酸的情況。用于高溫腐蝕環(huán)境且存在連多硫酸腐蝕的情況，主要是考慮奧氏體不銹鋼在高溫下的敏化問(wèn)題。根據(jù)表2 中的推薦值，不銹鋼321 在操作溫度427 ℃以下、347 在454 ℃以下不容易發(fā)生敏化，因此通過(guò)焊后穩(wěn)定化熱處理提高抗敏化能力的意義不大。

目前的加氫裝置反應(yīng)部分管道，操作溫度一般不超過(guò)450 ℃，所以347 不銹鋼在加氫裝置傾向于不進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理。操作溫度大于427 ℃的321 不銹鋼管道數(shù)量比較少，需要精心控制，同時(shí)取消321 穩(wěn)定化處理要慎重，原因：①TiC 比NbC 的溶解溫度低，當(dāng)母材是穩(wěn)定化熱處理狀態(tài)時(shí)，熔合區(qū)附近加熱溫度達(dá)到1300 ℃，TiC 大部分分解固溶，NbC 分解固溶少，321 不銹鋼在運(yùn)行過(guò)程中更容易敏化；這里要強(qiáng)調(diào)母材必須是穩(wěn)定化熱處理狀態(tài)；②321 不銹鋼的再熱裂紋敏感性比347 小，事實(shí)上很多現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)現(xiàn)了321 不銹鋼的焊后穩(wěn)定化處理；③321 不銹鋼的焊縫采用347 焊材，存在較大的再熱裂紋敏感性，需要小心控制。

5 結(jié)語(yǔ)

加氫裝置反應(yīng)部分管道材料選擇321 或347 不銹鋼是最佳選擇，已成功應(yīng)用多年，要嚴(yán)格控制母材是穩(wěn)定化熱處理狀態(tài)；321、347 不銹鋼管道焊接接頭經(jīng)過(guò)穩(wěn)定化熱處理后，部分焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋，隨著壁厚增加，裂紋程度越嚴(yán)重；目前尚沒(méi)有完全避免穩(wěn)定化熱處理再熱裂紋的辦法（除非不進(jìn)行穩(wěn)定化處理）。本文僅提供了一些減小再熱裂紋傾向的一些措施。目前對(duì)于321、347 不銹鋼管道焊接接頭是否進(jìn)行穩(wěn)定化熱處理存在不同看法，是否熱處理選擇要慎重。