黃志慧，張述旺,戴 婧

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

在原油價格高企的時期，出于降低成本的考慮，越來越多的煉油廠將加工原油轉向品質較差的高硫高酸原油，設備的腐蝕問題隨之越來越明顯地暴露出來。

奧氏體不銹鋼(以下簡稱不銹鋼)因其優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的加工、焊接性能，用作化工壓力容器設備(以下簡稱設備或壓力容器)筒體的越來越多，但由于其價格昂貴，如非特殊需要，實際多采用基層為碳鋼、覆層為不銹鋼的復合鋼板。本文中碳鋼指煉油化工裝置中用的最多、最廣泛的Q245R、Q345R等壓力容器用碳素鋼板。

隨著裝置大型化，壓力容器尺寸越來越大、壁厚越來越厚，需要進行熱處理的越來越多，另外一些特殊設備，如換熱器管箱，也經常需要進行熱處理，如對復合板制上述壓力容器進行熱處理，熱處理對復合板覆層有沒有影響？有什么影響以及如何應對？這是本文討論的問題。

1 壓力容器的熱處理

廣義上講，焊后熱處理就是工件焊接完畢對焊接區(qū)域或焊接構件進行的熱處理，其內容包括消除應力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、淬火加回火、回火、低溫消除應力、析出熱處理等。狹義地講，焊后熱處理僅指消除應力退火，即為了改善焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應力等有害影響，對焊接區(qū)及有關部位在金屬相變溫度點以下均勻而又充分的加熱，然后又均勻冷卻的過程。本文所討論的熱處理即指焊后消除應力熱處理，主要目的：(部分)消除焊接產生的殘余應力、提高抗應力腐蝕的能力；改善母材、焊縫及熱影響區(qū)的性能；避免消除制造過程中的過量冷卷、冷矯形引起的冷作硬化，恢復冷成形中降低的屈服強度[1]。

這是常用的碳鋼材質容器的熱處理，復合板壓力容器基層厚度達到規(guī)定要求時，也應照NB/T 47015-2011規(guī)定執(zhí)行，這是沒有任何問題的，但應注意復合板有其特殊性，碳鋼基層和覆層不銹鋼是兩種不同類型材質。

2 不銹鋼及其熱處理

前述是關于碳鋼(基層)的熱處理，GB/T150.4中關于不銹鋼的熱處理：

“8.2.4 當需要對奧氏型體不銹鋼、奧氏體-鐵素體型不銹鋼進行熱處理時，按設計文件規(guī)定”。

“8.2.5 除設計文件另有規(guī)定，奧氏體型不銹鋼、奧氏體-鐵素體型不銹鋼的焊接接頭可不進行熱處理”。

也就是標準對是否需要進行熱處理，交給了設計人員決定。

不銹鋼熱處理應該從它的耐蝕性能說起。

2.1 不銹鋼的耐蝕性能

鐵的標準電極電位比氫小，為負值，在鐵基固溶體中鉻的含量超過12%(重量比)時，其電極電位由-0.56V躍增至+0.2V，材料發(fā)生鈍化，具有了抗一般介質腐蝕的性能，鉻含量在12%～14%之間稱為不銹鋼，鉻含量在16～18%耐腐蝕更強的鋼稱為耐酸鋼，通常統(tǒng)稱為不銹鋼[4]。

2.2 不銹鋼的晶間腐蝕

不銹鋼中的Cr元素是使鋼具有耐蝕性，C元素使鋼的強度增加，正常狀態(tài)下C和Cr在不銹鋼中是呈固溶態(tài)均勻分布的。在450～850℃范圍內緩慢冷卻時，不銹鋼中C和Cr就會形成復雜的高鉻碳化物Cr23C6從奧氏體中析出而分布在晶界上，使晶界附近的含鉻量低于鈍化必須的的限量(即12%的Cr)，在晶界形成貧鉻區(qū)，鈍態(tài)受到破壞，晶間區(qū)域電位下降，而晶粒本身仍維持電位較高的鈍態(tài)，在腐蝕介質的作用下，晶界處就容易出現(xiàn)腐蝕，即晶間腐蝕。

晶間腐蝕是鉻鎳不銹鋼容器最常見的失效形式。晶間腐蝕使材料的機械強度和耐蝕性能完全喪失，且從外觀上不易覺察，所以，全不銹鋼材質設備會突然破壞，它的危害性很大；如果是復合板容器，一旦覆層不銹鋼耐蝕性能喪失，腐蝕就會從晶界開始發(fā)展成裂紋，介質穿過裂紋很快就會接觸到基層碳鋼，對碳鋼造成腐蝕，而且碳鋼抗腐蝕性能較不銹鋼差，腐蝕進程會很快，直接影響壓力容器的安全。

2.3 不銹鋼的熱處理及鋼板交貨熱處理狀態(tài)

為了保證不銹鋼的耐蝕性能，需要將奧氏體不銹鋼加熱到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達到過飽和狀態(tài)，這就是對不銹鋼進行固溶處理。所以，GB/T 24511-2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼板和鋼帶》中規(guī)定[5]，不銹鋼的熱處理交貨狀態(tài)為“1040℃水冷或其它方式快速冷卻”，即固溶熱處理，目的是使不銹鋼中的Cr、C元素均勻地分布在鋼中。

3 復合板壓力容器熱處理問題

GB/T150.4中規(guī)定：“8.2.6.6復合鋼板容器及其受壓元件熱處理時，應采取措施保證容器(特別是覆層材質性能)滿足使用要求”[2]。

前文中已經提到：碳鋼壓力容器焊后熱處理溫度為600～680℃，最短保溫時間與厚度有關，最少15min多則2小時以上，延長保溫時間有利于焊接殘余應力的消除。從容器熱處理溫度可以看出，PWHT熱處理溫度在不銹鋼敏化溫度(450～850℃)范圍內，熱處理時不銹鋼存在形成高鉻碳化物的可能，將會發(fā)生晶間腐蝕。這就是GB/T 150.4中沒有明確規(guī)定復合板容器如何進行熱處理的原因。

固溶熱處理可以使高鉻碳化物Cr23C6重新分解出Cr和C，均勻分布于不銹鋼中，那可否對復合板壓力容器在PWHT后再進行固溶處理，或者做固溶處理同時代替PWHT？

前文提到不銹鋼的固溶熱處理是由1100℃快速冷卻至室溫，一般較小零部件是可以實現(xiàn)，但是大型的化工壓力容器設備，或結構復雜的設備，比如管殼式熱交換器，上述的關鍵工藝參數(shù)難以得到控制，更談不上保證焊后熱處理質量。即便處理也往往弄巧成拙，不僅焊縫組織結構未能得到改善，母材組織結構反而可能遭到不應有的惡化。另一方面，由于設備尺寸龐大或者結構復雜，對設備整體進行急冷，實現(xiàn)起來是非常困難的，并不像的鋼板或形狀簡單的封頭那樣可以被快速冷卻。同時，在超過1000℃的高溫下，設備自身質量往往也成為其不能承受之重。

4 應對措施

復合鋼板壓力容器根據(jù)容器基層厚度、按照標準規(guī)范要求進行PWHT是必須的和毋容置疑的，關鍵是消除應力的同時要保證覆層材質耐蝕性能，可以采用以下幾種措施：

4.1 選用超低碳不銹鋼或穩(wěn)定化元素不銹鋼

超低碳不銹鋼是大幅降低不銹鋼中的碳含量，這樣Cr與C結合生成Cr23C6的機會大大減少，不會造成晶間貧鉻，常用的超低碳不銹鋼有022Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2、022Cr19Ni13Mo3。

不銹鋼中穩(wěn)定化元素為Ti和Nb，在鋼中形成較Cr23C6更穩(wěn)定的碳化物TiC或NbC，沒有游離的C可與Cr形成高鉻碳化物。添加穩(wěn)定化元素不銹鋼主要有06Cr18Ni12Mo2Ti、06Cr18Ni11Nb、07Cr18Ni11Nb，穩(wěn)定化不銹鋼(覆層不銹鋼)應進行875℃以上溫度的穩(wěn)定化熱處理。此類不銹鋼價格較貴，選擇時還應綜合考慮。

4.2 選用鐵素體不銹鋼

同樣據(jù)上研究，06Cr13、06Cr13Al等鐵素體不銹鋼產生晶間腐蝕的敏感溫度是950℃，碳鋼熱處理溫度(600～680℃)達不到此敏化溫度，可以進行正常的消除應力熱處理。

4.3 熱處理工藝措施

有研究表明[6]，奧氏體不銹鋼產生晶間腐蝕的敏感溫度為650℃，降低熱處理保溫溫度避開敏化溫度，但應延長保溫時間，NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》中有相關規(guī)定。

此研究只進行了幾個溫度點，對不同溫度和不同材質不銹鋼是否都普遍適用，還有待后續(xù)研究。

4.4 其它需要注意的問題

除熱處理外，容器最重要的制造步驟--焊接，是一個熔煉過程，焊接時的熱量足以使焊縫及熱影響區(qū)達到1000℃以上高溫，如果條件充足，也有可能形成高鉻碳化物，焊接線能量越大影響范圍越大，特別是厚壁容器在進行自動焊時；因此，焊接應該采用小電流、多道焊，輔以澆水快速冷卻，或者焊絲、焊條采用低碳型或含穩(wěn)定化元素Ti和Nb的焊條。

復合板設備上的開口接管、法蘭通常選用與覆層同材質不銹鋼，或者采用同材質整體不銹鋼鍛件，前述的問題同樣存在，宜應同時加以考慮。

5 結束語

不銹鋼復合板可以有效地減緩腐蝕、延長設備的使用壽命，保證裝置長周期運行；作為壓力容器設計來講，并非簡單選用復合板就萬事大吉，應該考慮鉻鎳奧氏體不銹鋼復合板容器在制造過程中可能形成的晶間腐蝕隱患，并加以消除，一旦產生則難以通過熱處理方式徹底消除，實際操作不太可能實現(xiàn)。所以，針對具體的腐蝕環(huán)境和腐蝕機理，選擇更適合的不銹鋼復合板，采用正確的焊接方法，恰當組合上述幾種防止和控制措施，才能取得好的效果。