二級主吸收塔筒體焊縫埋藏缺陷成因分析

王團亮，陳曉林，盧雪梅，宋文明，侍吉清，李燕姣，張旭杰

（1.中國石化 中原油田 普光分公司，四川 達州 635000；2.岳陽建華工程有限公司，湖南 岳陽 414000；3.機械工業(yè)上海藍亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518；4.上海藍濱石化設(shè)備有限公司，上海 201518）

某石化公司高含硫天然氣凈化裝置采用MEDA醇胺法脫硫工藝，其核心設(shè)備二級主吸收塔筒體多條焊縫在定期檢驗過程中檢出超標埋藏缺陷。該塔為高含硫天然氣凈化過程中用胺液吸收天然氣中硫雜質(zhì)的主要工藝設(shè)備［1］，設(shè)計壓力為9.1 MPa，工作壓力為8.1 MPa，設(shè)計溫度為100/160℃，操作溫度為43℃，筒體為復(fù)合板，內(nèi)徑為 2 500 mm，材質(zhì)為 SA516Gr70+316L，筒體壁厚為86 mm+3 mm，塔內(nèi)化學反應(yīng)介質(zhì)為胺液、含硫天然氣。

1 吸收塔筒體焊縫失效分析

1.1 宏觀檢查

依據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，截取吸收塔A2焊縫中缺陷較為集中部位送實驗室進行埋藏缺陷檢驗分析，取樣部位及缺陷分布見圖1。此處共有6個缺陷，現(xiàn)場用數(shù)字 1、2、1、2、3、3（最后 2 個缺陷 1 個用正3表示，1個用倒3表示）標記。缺陷長度約20 mm，集中在34～50 mm深度范圍 （從外壁檢測）。由裂紋埋藏深度判斷，缺陷集中在筒體基層焊縫。觀察筒體內(nèi)表面，不銹鋼復(fù)層表面光亮，無明顯氧化、腐蝕痕跡，說明該塔運行情況良好，埋藏缺陷的產(chǎn)生與塔內(nèi)介質(zhì)無直接關(guān)系。筒體壁厚較大，焊縫較寬。從焊縫橫截面觀察，筒體對接焊縫采用了雙面開坡口全焊透結(jié)構(gòu)，焊接接頭無未熔合、氣孔等缺陷。

圖1 吸收塔A2焊縫取樣部位及缺陷分布

1.2 化學成分分析

對該送檢焊縫金屬及筒體基層母材的化學成分進行分析，結(jié)果見表1。

表1 焊縫金屬及筒體基層母材化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)） %

筒體基層母材化學成分符合ASTM SA-516/SA-516-2017《中、低溫壓力容器用碳鋼板》［2］的相關(guān)要求。依據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量證明文件，筒體焊縫選用JL-507E牌號焊條，對應(yīng)焊條型號為E5015，A2焊縫金屬化學成分也符合GB/T 5117-2012《非合金鋼及細晶粒鋼焊條》［3］中E5015焊條熔敷金屬化學成分的相關(guān)要求。

1.3 埋藏缺陷定位及顯示

分析缺陷成因應(yīng)明確缺陷形態(tài)、位置及開裂形貌等關(guān)鍵特征，這就需要對缺陷進行精準定位，并采用適當?shù)姆椒ㄊ蛊淝逦@示。綜合運用超聲檢測、切割、滲透檢測、打磨等方法處理缺陷樣品，使埋藏缺陷得到直觀顯示。最終只有2條線性裂紋缺陷顯示，分別標記為裂紋1和裂紋2，見圖2。2條裂紋均位于筒體基層焊縫內(nèi)部，垂直于焊縫分布，裂紋較細，呈臺階狀，裂紋內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物存在，最大長度約22 mm，與現(xiàn)場超聲檢測結(jié)果一致。

圖2 埋藏缺陷位置及形態(tài)

1.4 金相組織分析

選取裂紋1試樣進行金相檢驗，其微觀形貌見圖3。圖3a顯示裂紋呈臺階狀擴展，圖3b顯示裂紋尖端圓鈍。圖3c為在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的位于焊縫內(nèi)的微裂紋，長度小于1 mm，垂直于焊縫分布，亦呈臺階狀擴展。

圖3 裂紋1局部微觀形貌

吸收塔筒體壁厚約86 mm，選取1/2壁厚處進行金相檢驗，結(jié)果見圖4和圖5。分析圖4和圖5可知，筒體母材組織為鐵素體+珠光體，焊縫金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，熱影響區(qū)金相組織為鐵素體+珠光體+回火馬氏體，組織正常。筒體壁厚較大，根據(jù)經(jīng)驗可知在焊接過程中熱影響區(qū)易出現(xiàn)板條馬氏體組織。但從檢驗結(jié)果看，熱影響區(qū)組織中無板條馬氏體存在，為回火馬氏體，說明該設(shè)備出廠前進行了較好的焊后熱處理，及時消除了焊縫殘余應(yīng)力［4-5］。

圖4 吸收塔筒體1/2壁厚處母材和焊縫金相組織形貌（100×）

圖5 吸收塔筒體1/2壁厚處母材和焊縫熱影響區(qū)金相組織形貌（100×）

1.5 沖擊性能測定

考慮到筒體壁厚T較大，在不同厚度部位加工沖擊韌性試樣，垂直焊縫方向和平行于焊縫方向分別取樣，沖擊吸收功測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?，焊接接頭沖擊吸收功均滿足NB/T 47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學性能檢驗》［6］中不小于38 J的高要求。依據(jù)NB/T 47016-2011，焊縫沖擊韌性值與抗拉強度下限值Rm相關(guān)，因該焊縫樣品尺寸較小，未進行拉伸試驗，故在沖擊要求值中選取最高要求作為參考。

表2 筒體不同厚度部位沖擊吸收功試驗結(jié)果

1.6 焊接接頭硬度測定

對送檢樣品進行硬度檢測，測定位置及序號見圖6。以筒體基層母材外壁為基準面，在1/2、1/4、3/4厚度處分別測定，點1、2、3位于母材區(qū)域,點 4、5 位于熱影響區(qū)，點 6、7、8 位于焊縫區(qū)域。硬度測定結(jié)果見圖7，測點硬度最大值小于220 HV，所有區(qū)域硬度值在正常范圍內(nèi)。

圖6 焊接接頭硬度測點位置及序號

圖7 焊接接頭硬度測定結(jié)果

1.7 裂紋微觀形貌分析

打開裂紋2，以裂紋面為觀察面，對裂紋擴展形態(tài)進行分析，結(jié)果見圖8。裂紋斷口平整、發(fā)亮，存在金屬小顆粒，附著有褐色垢物，垢物易脫落，裂紋擴展方向如圖8a中箭頭所示。采用掃描電鏡對裂紋面微觀形貌進行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展區(qū)到裂紋尖端主要以圓形白點、魚眼型白點、浮云狀白點特征為主，并存在少量韌窩及韌窩帶。從裂紋擴展區(qū)至尖端進行觀察，魚眼型白點由小而深變?yōu)榇蠖鴾\，圓形白點由多變少。

圖8 裂紋2斷面擴展形貌

2 吸收塔筒體焊縫裂紋成因分析

2.1 工藝狀況

該塔為天然氣凈化裝置吸收塔，塔內(nèi)主要介質(zhì)為高含硫天然氣和胺液，筒體板材為復(fù)合板，內(nèi)壁襯里為316L不銹鋼。筒體內(nèi)壁宏觀檢查結(jié)果表明，襯里完好，沒有裂紋、腐蝕坑等缺陷，金相檢驗過程中也未發(fā)現(xiàn)裂紋、超標夾雜物等缺陷。以上檢驗結(jié)果均表明，塔內(nèi)介質(zhì)對不銹鋼襯里無損傷。由襯里完好無損可推斷，基層材料不會受到介質(zhì)的腐蝕作用。此外，該塔操作溫度為43℃，在筒體基層材料使用溫度范圍內(nèi)，也不會因高溫或低溫產(chǎn)生開裂，所以，基層焊縫埋藏缺陷的萌生與塔的運行工況無關(guān)。

2.2 開裂機理分析

根據(jù)埋藏缺陷的萌生與設(shè)備運行狀況無關(guān)推斷，原因極可能為制造缺陷。該塔筒體壁厚為86 mm+3 mm，屬于厚壁容器，基層熱影響區(qū)易出現(xiàn)有害的馬氏體組織，但在實際檢驗過程中發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備組織中不存在馬氏體，且焊接接頭硬度均小于200 HV，說明制造過程中焊后熱處理做得很好，埋藏缺陷不是焊接應(yīng)力造成。據(jù)此推斷，該缺陷在焊接過程中就已經(jīng)存在，這種情況與焊接實施條件有很大關(guān)系。

埋藏缺陷均位于基層焊縫內(nèi)，垂直于焊縫分布，裂紋長度在0.5～22 mm，裂紋微觀狀態(tài)呈臺階狀擴展，以穿晶開裂為主，且裂紋內(nèi)無腐蝕產(chǎn)物存在。結(jié)合掃描電鏡圖像分析，該塔裂紋面微觀特征以圓形或橢圓形白點、魚眼、浮云、波紋狀白點、韌窩及韌窩帶為主，這一系列特征均與氫致開裂特征相吻合，因此焊縫埋藏缺陷可判斷為氫致裂紋［7］。

2.3 氫來源與裂紋形成

塔內(nèi)介質(zhì)為胺液和天然氣，不存在產(chǎn)生H原子的條件。外部為保溫層，也不存在產(chǎn)生H原子的條件，故該焊縫內(nèi)的H原子全部來自于焊接過程。焊接過程中H原子的來源主要是H2O的分解，H2O在焊接電弧的高溫作用下會分解出游離的H原子，H原子在熔池中溶解，形成溶解H。水的來源主要有受潮焊條、焊絲，焊口處的鐵銹，焊口處有霜、雪、濕氣、油污或油漆等有機物以及空氣濕度過大等。

金屬材料的氫脆通常為低應(yīng)力延遲破壞，當應(yīng)力低于門檻應(yīng)力值σth時不發(fā)生斷裂。當鋼中的裂紋前沿溶解氫的濃度達到臨界值時，在應(yīng)力與氫的共同作用下裂紋開始擴展。裂紋擴展是斷續(xù)式的，間歇時間為H的聚集所消耗的時間［8-10］。對于該焊縫內(nèi)的埋藏缺陷，其受力狀態(tài)相似，裂紋是否擴展取決于溶解于焊縫中的H含量。H在金屬中的溶解度隨著溫度變化而變化，當溫度降低或組織轉(zhuǎn)變，H的溶解度由大變小時，H便從固溶體中析出，部分H由于凝固或冷卻速度較快，就殘留在金屬基體內(nèi)。在鋼焊接過程中由于空氣中的水汽、焊條中的水以及材料表面水漬、油污等的存在，水受熱分解產(chǎn)生H+，焊接時熔池平均溫度在1 700℃，焊縫金屬為熔融液態(tài)，組織中H的溶解度（每100 g熔敷金屬組織中擴散氫的體積數(shù)）大于25 mL，在之后的冷卻過程中伴隨著組織形態(tài)由L→δ-Fe→γ-Fe→α-Fe的變化過程，H在焊縫中的溶解度逐步減低，甚至為0。先前溶解在焊縫中的H來不及逸出并在焊縫不斷聚集，當焊縫中溶解的H濃度達到臨界值時，在應(yīng)力與H的共同作用下裂紋開始擴展。

2.4 裂紋活性評定

塔焊縫中的埋藏缺陷是否會持續(xù)擴展，決定了設(shè)備的維修方案和安全狀況等級。裂紋的擴展需要有應(yīng)力的作用，裂紋所受應(yīng)力水平與其斷口微觀組織形貌相互關(guān)聯(lián)。研究中常用應(yīng)力強度因子K來表征其擴展應(yīng)力狀態(tài)，有研究表明，當應(yīng)力強度因子K值較大時，斷口組織呈穿晶韌窩型形貌；K值中等時，斷口組織呈準解理或解理形貌，或準解理與韌窩混合形貌。結(jié)合該塔裂紋面微觀形貌，裂紋總長約20 mm，打開裂紋長度約11 mm，裂紋擴展區(qū)以小而深的魚眼狀白點特征為主，K值中等，裂紋擴展過程中應(yīng)力逐漸釋放，K值減小，魚眼狀組織特征變淺，而準解理組織特征增多［11-12］進行裂紋活性綜合評定，認為裂紋尖端部位在原裂紋擴展過程中其應(yīng)力已充分釋放，裂紋不會再發(fā)生擴展。

3 建議

（1）控制氫的來源 焊接過程中H的來源主要是H2O的分解，H2O在焊接電弧的高溫作用下會分解出游離的H，H在熔池中溶解，形成溶解H。水的來源主要有受潮焊條、焊絲，焊口處的鐵銹，焊口處有霜、雪、濕氣、油污或油漆等有機物以及空氣濕度過大等。在實際操作中可通過保持焊材的干燥、焊件的清潔，作業(yè)區(qū)濕度適宜及采用埋弧自動焊等方法控制氫的浸入［13］。

（2）加強H向金屬外的擴散 H的擴散速率與焊縫溫度有關(guān)，溫度越高，H逸出得越快。在焊接過程中，可通過焊前預(yù)熱、焊后緩冷等措施延長焊縫高溫停留時間，有效促進H的擴散或者在焊接完成后及時進行消氫熱處理［13-15］。

（3）使用管理及檢驗 設(shè)備使用單位和檢驗單位應(yīng)對埋藏缺陷部位重點關(guān)注，如月度檢查、年度檢查、定期檢驗時作為重點檢驗對象，并與上次檢驗結(jié)果進行對比，確定裂紋有無擴展或新增，必要時采用聲發(fā)射確定裂紋的活性，并進行基于風險的檢驗（RBI）分析。

4 結(jié)語

該吸收塔筒體環(huán)焊縫中的埋藏缺陷呈臺階狀，以穿晶、沿晶混合擴展為主，裂紋無分叉、無腐蝕產(chǎn)物存在。裂紋面平整、無塑性變形，呈脆性開裂特征。從微觀形貌分析，擴展區(qū)以準解理、魚眼組織及韌窩組織特征為主，裂紋尖端以準解理組織為主，符合焊接氫致開裂特征，判斷為制造原始埋藏缺陷。另外，從裂紋面微觀形貌特征判斷，埋藏裂紋尖端應(yīng)力強度因子K值較小，即裂紋尖端應(yīng)力較小，所以裂紋不會再發(fā)生擴展、延伸，無需實施返修操作，但要定期對類似缺陷部位進行監(jiān)控并檢測其裂紋活性。