酸性水汽提裝置酸性水管線(xiàn)開(kāi)裂原因分析與應(yīng)對(duì)措施

沈紅杰

(中國(guó)石化上海高橋石化有限公司，上海 200137)

某公司酸性水汽提裝置采用雙塔汽提工藝，分別回收H2S，NH3和凈化水。酸性水管道的材質(zhì)為20號(hào)無(wú)縫鋼管，管道安裝時(shí)采用J507焊條進(jìn)行焊接，焊接接頭未進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。

該裝置投產(chǎn)運(yùn)行一年左右，酸性水管線(xiàn)多次發(fā)生焊接接頭開(kāi)裂泄漏。在裝置停工檢修期間，對(duì)部分焊接接頭進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。在裝置繼續(xù)運(yùn)行半年左右，又發(fā)現(xiàn)20多處焊接接頭開(kāi)裂泄漏，其中6處曾在裝置停工檢修時(shí)做過(guò)消除應(yīng)力熱處理。為了查找管線(xiàn)開(kāi)裂原因，在酸性水原料罐到汽提塔的管線(xiàn)上截取開(kāi)裂泄漏的焊接接頭試樣，對(duì)其進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物成分分析、宏觀(guān)檢驗(yàn)、硬度檢測(cè)及金相組織分析,并對(duì)不同處理狀態(tài)的焊接接頭進(jìn)行了硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SSCC)的敏感性評(píng)價(jià)。

1 介質(zhì)成分和裂紋宏觀(guān)形貌

1.1 酸性水水質(zhì)成分

酸性水管道的操作壓力為1.4 MPa，操作溫度為40 ℃左右。酸性水呈堿性，其pH值大于7，水質(zhì)成分見(jiàn)表1。

表1 酸性水水質(zhì)成分

1.2 裂紋宏觀(guān)形貌

泄漏的焊接接頭及其裂紋形貌分別見(jiàn)圖1和圖2。接頭規(guī)格為φ60 mm×5 mm。從圖2可知，裂紋位于焊縫邊緣和熱影響區(qū)，長(zhǎng)約5 mm，呈弧形。

圖1 泄漏的焊接接頭宏觀(guān)形貌

圖2 裂紋宏觀(guān)形貌

2 檢測(cè)與分析

2.1 腐蝕產(chǎn)物成分分析

對(duì)焊接接頭內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行元素分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氧化物(FeO)和少量的硫化物(MnS和FeS2)。

表2 腐蝕產(chǎn)物的元素分析結(jié)果w,%

2.2 硬度檢測(cè)

對(duì)泄漏的焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材等部位進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。硬度檢測(cè)結(jié)果表明，母材的硬度普遍較小，而大部分焊縫和熱影響區(qū)的硬度偏高。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果 HB

2.3 金相組織分析

對(duì)出現(xiàn)裂紋的焊接接頭取樣進(jìn)行金相觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)材料的顯微結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

(1)裂紋主要出現(xiàn)在熔合線(xiàn)和焊縫附近(分別見(jiàn)圖3和圖4),所有的裂紋均起源于管道內(nèi)壁，即與腐蝕介質(zhì)密切接觸的地方。裂紋初始形成時(shí)較寬，在擴(kuò)展過(guò)程中逐漸變細(xì)變尖，并出現(xiàn)明顯的分叉，具有穿晶擴(kuò)展裂紋特征，其微觀(guān)形貌見(jiàn)圖5。

圖3 熔合線(xiàn)裂紋 50×

圖4 焊縫內(nèi)壁裂紋 50×

圖5 穿晶擴(kuò)展裂紋 500×

(2)母材、焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)等區(qū)域的顯微組織各不相同，分別見(jiàn)圖6至圖9。從金相組織分析可以看出，母材的顯微組織以鐵素體為主，并含少量的珠光體，相對(duì)于母材來(lái)說(shuō)，焊縫含有較多的珠光體；焊縫和母材的晶粒較細(xì)，而熱影響區(qū)和熔合區(qū)的晶粒較為粗大；焊縫和熔合區(qū)含有較多的魏氏組織。在焊接施工過(guò)程中，由于工藝操作不規(guī)范，線(xiàn)能量輸入偏大，導(dǎo)致局部過(guò)熱，且焊后冷卻速度較大，容易造成焊縫和熱影響區(qū)的組織及性能發(fā)生變化。

圖6 母材組織 500×

圖7 焊縫組織 200×

圖8 熱影響區(qū)組織 200×

圖9 熔合區(qū)組織 200×

3 SSCC敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

在濕硫化氫工況下,20號(hào)管線(xiàn)焊接施工后存在部分焊接接頭開(kāi)裂失效案例，如焦化脫硫裝置富氣壓縮機(jī)二段出口管線(xiàn)就曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多次焊接接頭開(kāi)裂現(xiàn)象，其介質(zhì)為濕硫化氫，管道材質(zhì)為20號(hào)鋼，焊接時(shí)選用J507焊條[1-2]。因此，在濕硫化氫工況下，需對(duì)20號(hào)鋼焊接接頭進(jìn)行SSCC敏感性評(píng)價(jià)。焊接材料的選擇一般要求焊縫金屬的性能高于或等于母材。20號(hào)鋼抗拉強(qiáng)度不小于410 MPa，J422和J427焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度不小于430 MPa，J507焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度不小于490 MPa，因此20號(hào)鋼焊接時(shí)選用J427或J422焊條為等強(qiáng)度匹配，而選用J507焊條為高強(qiáng)度匹配。

為了考察20號(hào)鋼焊接材料和焊后熱處理對(duì)SSCC敏感性的影響，采用NACE TM0177—2016 標(biāo)準(zhǔn)中的C法即C型環(huán)試驗(yàn)方法對(duì)不同處理狀態(tài)的焊接接頭進(jìn)行了SSCC敏感性評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 SSCC敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中，11號(hào)、12號(hào)、21號(hào)和22號(hào)試樣均未出現(xiàn)裂紋，而31號(hào)、32號(hào)、41號(hào)和42號(hào)均出現(xiàn)裂紋，以穿晶擴(kuò)展裂紋為主，材料微觀(guān)形貌的脆性斷裂特征明顯，無(wú)明顯塑性變形，具有SSCC的一般特征。選用J422焊條與20號(hào)鋼進(jìn)行焊接的接頭不管是否經(jīng)過(guò)焊后消除應(yīng)力熱處理，均未發(fā)生焊接接頭開(kāi)裂；而選用J507焊條與20號(hào)鋼進(jìn)行焊接的接頭不管是否經(jīng)過(guò)焊后消除應(yīng)力熱處理，均出現(xiàn)焊接接頭開(kāi)裂。

4 管線(xiàn)開(kāi)裂原因分析

通過(guò)裂紋宏觀(guān)分析、腐蝕產(chǎn)物成分分析、硬度檢測(cè)和金相分析結(jié)果得出，酸性水管線(xiàn)焊接接頭開(kāi)裂具有以下特點(diǎn)：裂紋起源于管道內(nèi)壁，為穿晶擴(kuò)展裂紋，裂紋起始端較寬，尾端比較尖細(xì)，裂紋擴(kuò)展時(shí)出現(xiàn)明顯的分叉，具有SSCC的特征。

SSCC敏感性評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果表明，與選用J507焊條焊接的接頭相比，選用J422焊條焊接的接頭具有更加優(yōu)異的抗SSCC性能和抗脆斷性能。同時(shí)從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，選用與20號(hào)鋼高強(qiáng)度匹配的J507焊條焊接的接頭不管是否經(jīng)過(guò)焊后消除應(yīng)力熱處理，均出現(xiàn)焊接接頭開(kāi)裂。因此，在酸性水工況下，不宜選用與20號(hào)鋼高強(qiáng)度匹配的J507焊條進(jìn)行焊接，而應(yīng)選用與20號(hào)鋼等強(qiáng)度匹配的J422或J427焊條進(jìn)行焊接[3]。

焊條熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表5。從表5來(lái)看，J507焊條中Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.60%,明顯大于J427和J422焊條。Mn是一種易偏析的元素，能降低材料中的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)Mn在偏析區(qū)累積達(dá)到一定比例時(shí)，在焊后冷卻過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生馬氏體和貝氏體等高硬度的顯微組織，易引發(fā)SSCC[4]。因此,為了提高鋼材抗SSCC的性能，應(yīng)該將焊材中的錳含量降到盡可能低的水平。

表5 焊條熔敷金屬化學(xué)成分 w,%

5 結(jié)論與措施

(1)酸性水管線(xiàn)焊接接頭開(kāi)裂泄漏是由SSCC引起的,其開(kāi)裂的主要原因在于20號(hào)鋼管線(xiàn)焊接時(shí)選用了高強(qiáng)度匹配的J507焊條。

(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和試驗(yàn)結(jié)果表明，選用與20號(hào)鋼高強(qiáng)度匹配的J507焊條進(jìn)行焊接，雖然焊接接頭經(jīng)過(guò)焊后消除應(yīng)力熱處理，其硬度滿(mǎn)足規(guī)范要求，但仍可能出現(xiàn)SSCC。因此，在酸性水工況下，碳鋼管線(xiàn)應(yīng)選擇與母材等強(qiáng)度匹配的焊接材料。