荊 凱 明傳洋 馮蘇山 王萬(wàn)民

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽(yáng) 471000

滲氫管道焊前的消氫處理工藝

荊 凱 明傳洋 馮蘇山 王萬(wàn)民

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽(yáng) 471000

加氫反應(yīng)裝置的氫類介質(zhì)管道在運(yùn)行過(guò)程中，氫會(huì)滲入管壁內(nèi)，當(dāng)檢修或改造施工時(shí)，管壁中溶解氫一部分會(huì)逸出，而大部分氫仍滯留在管壁之中。這些殘留氫的存在會(huì)使管道焊接時(shí)容易出現(xiàn)冷裂紋、氣孔等缺陷；殘留氫也會(huì)使管道材質(zhì)脆化，造成管道發(fā)生破壞。本文從氫擴(kuò)散的機(jī)理及焊接中有害元素的消除來(lái)進(jìn)行分析，闡述了焊前對(duì)母材消氫處理的必要性和處理工藝，為類似工程施工積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

滲氫 消氫處理 焊接 裂紋

在某石化公司的加氫裝置檢修施工中，需要對(duì)操作介質(zhì)為氫氣的管道進(jìn)行改造施工。管道材質(zhì)為A106 Gr.B，管道利舊、新舊管道連頭的情況較多，而利舊管道已使用一定周期，氫已滲透到管壁內(nèi)。考慮到氫元素在焊接中屬于有害元素，如焊接中擴(kuò)散氫溶解度高，拘束應(yīng)力和材料淬硬傾向大時(shí)，焊縫容易出現(xiàn)冷裂紋、氣孔等。為避免利舊管道內(nèi)的殘留氫對(duì)焊接帶來(lái)不良影響，我們采取了焊前消氫處理的施工工藝，即焊接之前讓殘留在母材中的氫逸出，實(shí)踐證明，通過(guò)該工藝進(jìn)行消氫處理的焊道，經(jīng)X射線檢測(cè)全部合格，效果十分理想。

1 管道滲氫的原因

氫氣在常溫下以原子態(tài)進(jìn)入管道內(nèi)部，在－100℃～100℃的溫度區(qū)間內(nèi)可以聚集成分子態(tài)。而在該檢修工程施工中，管道內(nèi)介質(zhì)為氫氣，操作溫度為80℃，操作壓力為10Mpa，管道運(yùn)行了一定周期，由此我們就可以判斷管壁內(nèi)一定有氫存在。通過(guò)已知的材質(zhì)、溫度和氫分壓等數(shù)據(jù)，計(jì)算出氫在鋼材中的飽和溶解度，通過(guò)Siev-ert定律來(lái)計(jì)算，從而進(jìn)一步來(lái)計(jì)算氫的濃度以及分布情況：

式中 ，KO、△E— 相關(guān)系數(shù)，由金屬材料性質(zhì)決定

PH2— 氫分壓，MPa

T— 溫度，℃

對(duì)于已知的材質(zhì)可以通過(guò)上述公式計(jì)算出在一定的溫度和氫分壓下，氫在該材料中所具有的飽和溶解度。如A106 Gr.B和309／347不銹鋼堆焊層在不同溫度和氫分壓下的飽和溶解度見(jiàn)表1。

氫在鋼材中的濃度，不僅與操作溫度和氫分壓有關(guān)，還與氫在鋼材中的擴(kuò)散行為有關(guān)。氫可以通過(guò)擴(kuò)散逸出鋼材，在鋼材內(nèi)部形成濃度梯度。

表1 不同溫度和氫分壓下的飽和溶解度

氫在鋼材中的擴(kuò)散系數(shù)為：D=DO e-Q/T+273m2/s T—鋼材溫度，℃

對(duì)于A106Gr.B： D=2.46×10-7e-2150/T+273

309 不銹鋼堆焊層：D=4.7×10-7e-6442/T+273

347 不銹鋼堆焊層：D=5.97×10-7e-6633/T+273

氫在不同溫度下、不同材質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 氫在不同溫度下、不同材質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)

氫在金屬中的擴(kuò)散可以用擴(kuò)散方程來(lái)描述：

由于擴(kuò)散系數(shù)D僅為溫度的函數(shù)，因此上式可以簡(jiǎn)化為：

式中c— 氫在鋼材中的濃度

T— 時(shí)間

X—距離

根據(jù)管道的操作溫度、氫分壓、結(jié)構(gòu)尺寸，可以計(jì)算出正常運(yùn)行中鋼材的氫分布狀況。

通過(guò)以上推論可以看出，管道壁內(nèi)氫濃度主要由操作溫度和氫分壓所決定，而且只要運(yùn)行的氫介質(zhì)管道具有一定壓力和溫度，管道內(nèi)就會(huì)有滲氫現(xiàn)象。

在正常操作時(shí)鋼材內(nèi)各濃度不隨時(shí)間改變，

2 滲氫的危害及處理方法

當(dāng)氫以原子態(tài)先進(jìn)入管道內(nèi)部，然后聚集成分子態(tài)之后，一方面在鋼材內(nèi)造成內(nèi)壓與內(nèi)應(yīng)力，另一方面氫又使材料弱化脆化，但這種作用極其緩慢。當(dāng)氫向鋼的內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)散后，與鋼中滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的甲烷在鋼中擴(kuò)散能力很小，聚集在晶界上原有的空隙內(nèi)，形成局部高壓，使晶界變寬，引起氫脆。（氫脆，又稱氫致開(kāi)裂或氫損傷，是一種由于金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開(kāi)裂或損傷的現(xiàn)象。所謂“損傷”，是指材料的力學(xué)性能下降）。在氫脆情況下會(huì)發(fā)生“滯后破壞”，因?yàn)檫@種破壞需要經(jīng)歷一定時(shí)間才發(fā)生。一旦管材產(chǎn)生滯后破壞，因?yàn)檫@種破壞沒(méi)有預(yù)見(jiàn)性，對(duì)于生產(chǎn)裝置來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)很大。產(chǎn)生氫脆的材料可以通過(guò)消除氫處理來(lái)消除缺陷，消除氫可以采用回火、時(shí)效等措施來(lái)消除?；鼗鹗菍⒔?jīng)過(guò)淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)AC1以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝，時(shí)效處理是在強(qiáng)化相析出的溫度加熱并保溫，使強(qiáng)化相沉淀析出，得以硬化，提高強(qiáng)度。

當(dāng)氫以原子態(tài)進(jìn)入管道內(nèi)部，然后聚集成分子態(tài)之后，未與鋼中滲碳體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，該檢修工程中所用的利舊材料就屬于這種情況。材料性能并沒(méi)有受影響，但由于氫的存在對(duì)焊接質(zhì)量有很大的影響，焊接時(shí)焊道容易出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷，所以在焊接前可以采取焊前消氫處理的措施來(lái)保證焊接質(zhì)量。

3 滲氫管道焊道焊前消氫處理

在該檢修施工中，工期很短，必須保證施工質(zhì)量和工期。對(duì)于母材有滲氫情況下的焊接，選擇合理的焊接工藝非常重要。焊后消氫處理是對(duì)于母材沒(méi)有滲氫情況下的焊接處理，目的是消除焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氫；而焊前消氫處理是消除母材中的氫，因?yàn)闅湓诤附又袑儆谟泻υ?。我們采取了焊前消氫處理的焊接工藝?lái)施焊，焊口組對(duì)完畢后，通過(guò)電加熱方式來(lái)加熱焊口，讓材料中的擴(kuò)散氫逸出。確定加熱溫度也非常關(guān)鍵，因?yàn)殍F素體相經(jīng)過(guò)350～500℃加熱后，韌性和塑性會(huì)顯著降低，即性質(zhì)脆化，在475℃時(shí)脆化速度最快，稱“475℃脆性”。由于“475℃脆性的存在，消氫加熱溫度不宜超過(guò)350℃，另一方面，經(jīng)驗(yàn)指出，將焊件加熱到350℃，保溫1.5h，幾乎可將擴(kuò)散氫全部去除，焊前消氫處理分為加熱、恒溫、冷卻三個(gè)過(guò)程見(jiàn)圖1，具體要求如下：

（1）加熱范圍為焊縫兩側(cè)各不少于100mm，加熱區(qū)以外100mm范圍內(nèi)應(yīng)予以保溫且管道端口應(yīng)封閉。加熱升溫至300℃后加熱速度應(yīng)按5125/δ℃/h計(jì)算且不大于220℃/h。

（2）恒溫溫度為350℃，恒溫時(shí)間1～3h。

（3）冷卻過(guò)程應(yīng)保溫緩冷，100℃之后自然冷卻，當(dāng)保溫緩冷至100℃時(shí)可以進(jìn)行實(shí)焊。

4 效果

在該檢修工程中，滲氫管道焊接采用先焊前消氫處理后焊接的施工工藝，所有滲氫管道焊道焊接完畢后經(jīng)X射線檢測(cè)均一次合格，符合JB/T 4730-2005標(biāo)準(zhǔn)的要求，焊道沒(méi)有冷裂紋、氣孔等任何缺陷，水壓試驗(yàn)一次通過(guò)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在檢修或改造工程的施工中，對(duì)滲氫管道焊接采用先進(jìn)行焊前消氫處理后焊接的工藝進(jìn)行焊接作業(yè)，確保了焊接質(zhì)量和施工工期，值得以后在類似工程中運(yùn)用。

1《石油化工廠設(shè)備檢修手冊(cè)》第二分冊(cè).中國(guó)石化出版社.

2《焊接手冊(cè)》.機(jī)械工業(yè)出版社.

3《工程材料焊接技術(shù)問(wèn)答》.機(jī)械工業(yè)出版社.

4 加氫反應(yīng)器器壁中氫擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型[J]．航空材料學(xué)報(bào)，1999，6.

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