濕H2S環(huán)境下高溫高壓臨氫管道微裂紋分析及處理

陳思佳，王芳芳，賈丙中

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽合肥 230031)

0 引言

某石化廠蠟油加氫裝置高壓換熱區(qū)、加熱爐區(qū)停工檢修后，高溫高壓臨氫不銹鋼管道暴露在濕H2S環(huán)境下，滲透檢測(cè)(PT)時(shí)在焊縫金屬及熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)微裂紋，共計(jì)8處，裂紋最長(zhǎng)長(zhǎng)度約為18 mm，對(duì)裂紋處管道進(jìn)行壁厚測(cè)定，未發(fā)現(xiàn)減薄。

1 管道裂紋情況

1.1 管道設(shè)計(jì)條件和工作條件

高壓換熱區(qū)、加熱爐區(qū)缺陷管道材質(zhì)均為T(mén)P321，介質(zhì)均為混氫油，以其中一條為例，具體設(shè)計(jì)條件及操作條件見(jiàn)表1。

表1 管道設(shè)計(jì)條件和操作條件

1.2 裂紋宏觀形貌

經(jīng)宏觀檢驗(yàn)、滲透檢測(cè)，在多條管道的焊縫金屬表面發(fā)現(xiàn)多道微裂紋，圖1為其中一處較有代表性的焊縫裂紋宏觀形貌。從圖1中可以看出，裂紋分布于焊縫金屬上，縱向裂紋，裂紋曲折不平直，表面較平整。

圖1 焊縫裂紋宏觀形貌

1.3 理化分析

對(duì)選取的裂紋進(jìn)行硬度檢測(cè)、鐵素體含量測(cè)定和金相分析。

表2為裂紋區(qū)域及其周邊區(qū)域硬度值。根據(jù)SH 3501—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》，TP321奧氏體不銹鋼的硬度要求為≤187HB。從表2可以看出，裂紋及周邊區(qū)域硬度基本正常。

表2 裂紋區(qū)域及周邊區(qū)域硬度值 HB

表3為焊縫金屬裂紋處及正常區(qū)鐵素體含量，TP321奧氏體不銹鋼的鐵素體含量一般為3%～10%。從表3可以看出，裂紋處鐵素體含量偏低，無(wú)裂紋區(qū)焊縫金屬的鐵素體含量基本正常。

表3 焊縫金屬裂紋處及正常區(qū)鐵素體含量 %

圖2為裂紋微觀形貌，焊縫金屬組織為奧氏體+δ鐵素體，焊縫金屬的金相組織基本正常。從微觀上觀察，裂紋以沿晶擴(kuò)展為主。

圖2 裂紋微觀形貌

2 管道裂紋成因分析

濕H2S環(huán)境下高溫高壓臨氫管道存在高溫氫損傷和高溫硫化氫/氫腐蝕多種損傷模式，在制造、生產(chǎn)運(yùn)行及停工檢修過(guò)程中易形成過(guò)熱裂紋和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.1 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

應(yīng)力腐蝕主要是由于焊接殘余應(yīng)力、接頭設(shè)計(jì)不合理及腐蝕介質(zhì)濃度提高形成的，它的裂紋特征是從表面向內(nèi)擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕斷裂是通過(guò)裂紋的形成和擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行的[1]。

該裝置高壓換熱區(qū)缺陷管道輸送的介質(zhì)為混氫油，其中含有大量H2S，按照H2S腐蝕機(jī)理，在高溫高壓下濕硫化氫會(huì)發(fā)生電離，產(chǎn)生大量氫離子，而氫離子半徑極小，在獲得足夠能量后變成擴(kuò)散氫，極易沿晶界向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，由于氫離子結(jié)合力比較強(qiáng)，很容易在晶粒粗大等缺陷處結(jié)合形成氫氣團(tuán)，從而產(chǎn)生一個(gè)較大的內(nèi)應(yīng)力，在強(qiáng)度較高的材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，形成微裂紋后，氫離子再次聚集、結(jié)合擴(kuò)散最終可導(dǎo)致較大裂紋甚至斷裂[2]。

2.2 過(guò)熱裂紋

奧氏體不銹鋼與其他不銹鋼材料相比，具有較高的熱裂紋傾向性和敏感性，這是由于奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，所以在焊接局部過(guò)熱的情況下，焊接接頭在高溫部位停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，焊縫金屬及熱影響區(qū)部位將承受較高的拉伸應(yīng)力和應(yīng)變[1]，本文出現(xiàn)微裂紋的管道均為管壁較厚的高溫高壓臨氫管道，管道壁厚28～30 mm，所以形成熱裂紋的傾向更加明顯。從裂紋的微觀形貌可以看出，裂紋以沿晶開(kāi)裂方式擴(kuò)展，裂紋區(qū)的鐵素體含量偏低，綜合分析認(rèn)為該裂紋為焊接熱裂紋。

3 返修處理

由于奧氏體不銹鋼電阻率是低碳鋼的4倍，線膨脹系數(shù)大，約為低碳鋼的2倍，其熱敏性、導(dǎo)熱性較差。裂紋處打磨消除時(shí)局部區(qū)域一旦過(guò)熱，不注意降溫，就很容易出現(xiàn)熱裂紋擴(kuò)大的情況，尤其本次出現(xiàn)裂紋的管道壁厚比較厚，不容易散熱，這種現(xiàn)象更加明顯。所以裂紋打磨消除過(guò)程要注意及時(shí)降溫冷卻，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。同時(shí)，在焊接的焊縫結(jié)晶過(guò)程中，在固相線附近，由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足以及時(shí)填充，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂[3]。裂紋消除后的返補(bǔ)焊，對(duì)焊接工藝和技術(shù)有較高要求。

為了保證返修質(zhì)量，車(chē)間確定了返修技術(shù)方案、返修焊接指導(dǎo)書(shū)及穩(wěn)定化熱處理方案等技術(shù)文件，經(jīng)車(chē)間、監(jiān)理審查通過(guò)后，嚴(yán)格按照技術(shù)文件執(zhí)行。比如優(yōu)先選用含鈦或鈮等穩(wěn)定元素較高的焊條，優(yōu)化后續(xù)焊接效果，并在焊接過(guò)程中加快速度，避免在某區(qū)域停留過(guò)久，同時(shí)做好高溫區(qū)域的冷卻處理，這樣可以保障均勻奧氏體組織的形成[4]，避免裂紋加深和擴(kuò)展。補(bǔ)焊完成后，返修單位嚴(yán)格按照穩(wěn)定化熱處理方案對(duì)缺陷部位進(jìn)行了穩(wěn)定化熱處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)現(xiàn)多道微裂紋之后，為了生產(chǎn)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，車(chē)間決定對(duì)高壓換熱區(qū)及爐區(qū)濕H2S環(huán)境下高溫高壓臨氫管道焊縫100%檢測(cè)，經(jīng)滲透檢測(cè)后，共發(fā)現(xiàn)8處微裂紋，顯微觀察其成因均為奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋，對(duì)相應(yīng)缺陷位置進(jìn)行返修處理并檢測(cè)合格后，該裝置重新開(kāi)工，運(yùn)行平穩(wěn)。

高溫高壓臨氫管道工況復(fù)雜，若操作不穩(wěn)定，很容易使管道的實(shí)際使用工況超出臨界值，所以控制工藝和操作，對(duì)預(yù)防出現(xiàn)濕H2S環(huán)境下高溫高壓臨氫管道的腐蝕和損傷問(wèn)題極其重要。車(chē)間應(yīng)制訂科學(xué)的運(yùn)行方案，明確規(guī)定使用時(shí)間、維護(hù)時(shí)間以及停運(yùn)時(shí)間等，嚴(yán)格控制溫度、濕度以及壓力等因素，確保設(shè)備各項(xiàng)性能的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)設(shè)備的定期保養(yǎng)，安排專(zhuān)人進(jìn)行巡查，監(jiān)控高壓換熱區(qū)和加熱爐區(qū)的運(yùn)行，有問(wèn)題可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理。