吉章紅

（石油化工工程質量監(jiān)督總站，北京 100101）

1 加氫裝置反應部分管道的材料選擇

目前高壓加氫裝置主要有加氫精制、加氫處理、加氫裂化、渣油加氫和潤滑油加氫等。高壓加氫裝置反應部分管道操作溫度和操作壓力較高，介質含有硫化氫+氫，存在高溫氫腐蝕、高溫氫+硫化氫腐蝕、高溫硫腐蝕等腐蝕類型，對于高酸原油還存在高溫環(huán)烷酸腐蝕，裝置停工期間可能發(fā)生連多硫酸應力腐蝕。

1.1 基于高溫強度的材料選擇

加氫裝置反應部分管道的操作壓力和操作溫度都比較高，因此管道材料必須考慮高溫強度，表1 列出了常用高溫材料的高溫強度[1]。基于高溫強度進行材料選擇，可以選擇表1 中的材料，高溫強度比較，P91＞P9＞TP304H＞TP321＞TP347。

表1 常用高溫材料的高溫強度

1.2 基于耐腐蝕性的材料選擇

無H2硫腐蝕根據McConomy 曲線進行選材，一般情況P9可以耐無H2硫腐蝕，H2/H2S 腐蝕與無H2腐蝕的不同是低合金鋼直到12Cr，在避免H2/H2S 腐蝕方面基本沒有影響。18Cr-8Ni不銹鋼是最通常選擇[2]。實際上，只考慮運行期間的腐蝕，300 系列奧氏體不銹鋼是可以的，但考慮到裝置停工期間的連多硫酸應力腐蝕，304H 不可用。

2 加氫裝置反應部分管道選用321 和347 存在的問題

2.1 321 和347 不銹鋼母材

設計在加氫裝置反應部分管道選用的不銹鋼管道材料為347 或321，并要求材料以固溶+穩(wěn)定化熱處理供貨。2004 年國際防腐蝕年會的一篇報告也列舉了美國石油化工企業(yè)和煉油廠生產實踐中幾種不銹鋼的最高操作溫度推薦值（表2），從中可以看出，這篇報告認為經過穩(wěn)定化處理的321 不銹鋼需要考慮敏化的起始溫度是454 ℃，經過穩(wěn)定化處理的347 不銹鋼的起始溫度是538 ℃。工業(yè)實踐表明，加氫裝置反應部分管道選用321 和347 材料，在使用過程中并未出現問題，是安全的。

2.2 321 和347 的焊接接頭

2.2.1 321 和347 不銹鋼焊接接頭的敏化

前面已經提到，連多硫酸應力腐蝕的必要條件之一是不銹鋼出現了敏化組織。321 和347 不銹鋼由于存在Ti、Nb，形成了穩(wěn)定的TiC、NbC，固定了大部分的C，焊接時沒有出現敏化區(qū)。但是焊接時在熔合區(qū)的1200 ℃以上，特別是1300 ℃以上，大部分的TiC 溶解，小部分NbC 溶解（TiC 的溶解溫度低于NbC 的溶解溫度）[3]，TiC、NbC 分解出來的碳原子插入到奧氏體點陣間隙中，Ti、Nb 占據奧氏體點陣節(jié)點空缺位置。冷卻時碳原子趨向奧氏體晶粒周邊運動，Ti、Nb 來不及擴散而保留在原地，碳將析集于晶界附近成為過飽和狀態(tài)。這種狀態(tài)如果再經過中溫敏化加熱，將發(fā)生Cr23C6沉淀，形成晶界貧Cr 區(qū)，越靠近熔合區(qū)，貧Cr 越嚴重，因此形成著名的“刀狀腐蝕”。顯然，高溫過熱和中溫敏化相機作用，是“刀狀腐蝕”的必要條件[4]。

表2 最高操作溫度

焊接接頭緊靠熔合線很窄的區(qū)域在焊接過程中高溫過熱，生產運行中要經過中溫敏化，這部分區(qū)域在裝置停車期間可能會發(fā)生連多硫酸應力腐蝕。因此大部分設計文件要求操作溫度高于350 ℃的管線，焊接接頭進行焊后穩(wěn)定化熱處理。

2.2.2 321 和347 不銹鋼焊接接頭穩(wěn)定化熱處理的問題

施工過程中347 材料管道焊接接頭經過穩(wěn)定化熱處理后，部分焊縫或熱影響區(qū)出現裂紋，隨著壁厚增加，裂紋程度嚴重。321 管道也出現類似問題。同時，經過穩(wěn)定化處理后，焊接接頭的機械性能有所下降，但不影響使用。

與低合金鋼的再熱裂紋出現在熱影響區(qū)不同，奧氏體不銹鋼的再熱裂紋在熱影響區(qū)和焊縫都有出現[5]。347 材料的再熱裂紋敏感性大于321 材料，但321 材料焊接焊材采用347，因此焊縫在穩(wěn)定化熱處理時也會發(fā)生再熱裂紋。出現再熱裂紋的情況主要有3 個特點。

（1）347 焊接接頭的再熱裂紋出現在熱影響區(qū)或焊縫，321焊接接頭的再熱裂紋一般出現在焊縫區(qū)。

（2）壁厚40 mm 及以上的材料更容易出現再熱裂紋，壁厚25 mm 及以下的材料基本不出現。

（3）粗晶材料更容易出現再熱裂紋。

3 321 和347 不銹鋼出現再熱裂紋的原因及改善措施

3.1 產生再熱裂紋的原因分析

再熱開裂需要有高應力，因此在較厚截面發(fā)生再熱開裂的可能性更高；當蠕變延性不足以適應釋放施加的或剩余應力要求的應變時，再熱開裂在溫升時發(fā)生；再熱開裂可能發(fā)生在焊后熱處理或在高溫下工作的條件下（加氫裝置反應部分管道的操作溫度不會產生再熱裂紋）。在上述兩種條件下，裂紋是晶間的，不表現或表現出少量變形跡象；細的晶內析出顆粒使晶粒比晶粒邊界更有強度，并且使蠕變變形在晶粒邊界出現。

對壁厚25 mm 及以下的薄壁材料，焊接應力相對較小，熱處理過程中應力消除也足夠快，因此不易產生再熱裂紋；但對于厚壁材料，現場熱處理時內外壁溫差大，熱應力比較大，極易產生再熱裂紋。

粗晶材料相對晶界較少，單位長度的晶界內鈦或鈮的碳化物更多，而且較大的晶粒降低了塑性，從而增加了粗晶材料產生再熱裂紋的傾向性。

3.2 減小再熱裂紋傾向的措施

現場試圖找到預防再熱裂紋的措施，但目前為止沒有肯定的措施。現場321、347 不銹鋼的熱處理，部分沒有出現再熱裂紋，而出現再熱裂紋的現場也很多，尚無能免除再熱裂紋的措施，但是也有了一些改善措施。

（1）母材的晶粒度應控制在4～7 級。曾有現場出現的再熱裂紋均出現在管件一側的熱影響區(qū)，而管道一側及焊縫均未出現裂紋。現場金相檢查發(fā)現管件的晶粒粗于4 級，甚至還有1 級0 級晶粒。

（2）減少應力集中。管件一側的再熱裂紋多余直管段，說明管徑的突變增加了再熱裂紋傾向；焊道與焊道之間的溝槽出現的再熱裂紋較多，也說明焊縫表面的缺口增加了再熱裂紋傾向，因此焊接時要小心控制焊縫表面質量，必要時對焊縫表面進行打磨。

（3）減小熱處理溫差和溫差應力。但對于管道的現場熱處理絕大部分只能從單面加熱，難于做到內外均勻加熱。有的現場要求降低加熱速度和冷卻速度，但這樣會增加熱處理區(qū)敏化溫度時間的延長，導致碳化物析出增多而產生敏化；加熱造成的負面影響在保持溫度消除——碳化物溶解，但慢速冷卻造成的負面影響會保留。當然冷卻速度的減小一定程度上可以減小殘余應力，但穩(wěn)定化熱處理的目的并不是消除應力，而是為了使靠近熔合線部分的母材TiC 和NbC 重新析出。事實上現場局部穩(wěn)定化熱處理減小殘余應力的效果有限，同時連多硫酸腐蝕的應力門檻值區(qū)域0[6]，試圖通過消除殘余應力防止連多硫酸腐蝕是無法實現的。

（4）選用適當的焊接材料和焊接參數，避免焊縫的微裂紋。焊縫出現的再熱裂紋，不能排除與焊接時產生的微裂紋有關，這些微裂紋采用通常的無損檢測不能發(fā)現。要做到這一點，保證焊縫中有足夠的鐵素體數（FN）是首要的，同時采用小的焊接參數是有益的[7]。沒有必要擔心鐵素體的σ 化，這是因為：①σ 在大于850 ℃會溶解，也就是在穩(wěn)定化熱處理過程中σ 相會消除；②同時穩(wěn)定化熱處理也會使鐵素體含量減少；③σ 相與再熱裂紋無關；④FN 足夠就好，對于347 成分的焊縫，FN 不大于8，及時轉變?yōu)棣?相也不會形成網狀，對韌性的損失有限。

4 穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼焊后穩(wěn)定化熱處理的合理要求

在加氫裝置的管道設計文件中一般要求操作溫度高于350 ℃要進行焊接接頭穩(wěn)定化熱處理。對奧氏體不銹鋼的焊后熱處理，各標準規(guī)范沒有給出明確的指導性規(guī)定。對于奧氏體不銹鋼是否熱處理，國內的專家也有焊后進行和不進行穩(wěn)定化熱處理兩種不同意見。

加氫裝置穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼大多數是用在高溫腐蝕環(huán)境、且在停工檢修時可能遭遇連多硫酸的情況。用于高溫腐蝕環(huán)境且存在連多硫酸腐蝕的情況，主要是考慮奧氏體不銹鋼在高溫下的敏化問題。根據表2 中的推薦值，不銹鋼321 在操作溫度427 ℃以下、347 在454 ℃以下不容易發(fā)生敏化，因此通過焊后穩(wěn)定化熱處理提高抗敏化能力的意義不大。

目前的加氫裝置反應部分管道，操作溫度一般不超過450 ℃，所以347 不銹鋼在加氫裝置傾向于不進行焊后穩(wěn)定化熱處理。操作溫度大于427 ℃的321 不銹鋼管道數量比較少，需要精心控制，同時取消321 穩(wěn)定化處理要慎重，原因：①TiC 比NbC 的溶解溫度低，當母材是穩(wěn)定化熱處理狀態(tài)時，熔合區(qū)附近加熱溫度達到1300 ℃，TiC 大部分分解固溶，NbC 分解固溶少，321 不銹鋼在運行過程中更容易敏化；這里要強調母材必須是穩(wěn)定化熱處理狀態(tài)；②321 不銹鋼的再熱裂紋敏感性比347 小，事實上很多現場成功實現了321 不銹鋼的焊后穩(wěn)定化處理；③321 不銹鋼的焊縫采用347 焊材，存在較大的再熱裂紋敏感性，需要小心控制。

5 結語

加氫裝置反應部分管道材料選擇321 或347 不銹鋼是最佳選擇，已成功應用多年，要嚴格控制母材是穩(wěn)定化熱處理狀態(tài)；321、347 不銹鋼管道焊接接頭經過穩(wěn)定化熱處理后，部分焊縫或熱影響區(qū)出現裂紋，隨著壁厚增加，裂紋程度越嚴重；目前尚沒有完全避免穩(wěn)定化熱處理再熱裂紋的辦法（除非不進行穩(wěn)定化處理）。本文僅提供了一些減小再熱裂紋傾向的一些措施。目前對于321、347 不銹鋼管道焊接接頭是否進行穩(wěn)定化熱處理存在不同看法，是否熱處理選擇要慎重。