王團(tuán)亮，陳曉林，盧雪梅，宋文明，侍吉清，李燕姣，張旭杰

（1.中國(guó)石化 中原油田 普光分公司，四川 達(dá)州 635000；2.岳陽(yáng)建華工程有限公司，湖南 岳陽(yáng) 414000；3.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 201518；4.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限公司，上海 201518）

某石化公司高含硫天然氣凈化裝置采用MEDA醇胺法脫硫工藝，其核心設(shè)備二級(jí)主吸收塔筒體多條焊縫在定期檢驗(yàn)過(guò)程中檢出超標(biāo)埋藏缺陷。該塔為高含硫天然氣凈化過(guò)程中用胺液吸收天然氣中硫雜質(zhì)的主要工藝設(shè)備［1］，設(shè)計(jì)壓力為9.1 MPa，工作壓力為8.1 MPa，設(shè)計(jì)溫度為100/160℃，操作溫度為43℃，筒體為復(fù)合板，內(nèi)徑為 2 500 mm，材質(zhì)為 SA516Gr70+316L，筒體壁厚為86 mm+3 mm，塔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)為胺液、含硫天然氣。

1 吸收塔筒體焊縫失效分析

1.1 宏觀檢查

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，截取吸收塔A2焊縫中缺陷較為集中部位送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行埋藏缺陷檢驗(yàn)分析，取樣部位及缺陷分布見(jiàn)圖1。此處共有6個(gè)缺陷，現(xiàn)場(chǎng)用數(shù)字 1、2、1、2、3、3（最后 2 個(gè)缺陷 1 個(gè)用正3表示，1個(gè)用倒3表示）標(biāo)記。缺陷長(zhǎng)度約20 mm，集中在34～50 mm深度范圍 （從外壁檢測(cè)）。由裂紋埋藏深度判斷，缺陷集中在筒體基層焊縫。觀察筒體內(nèi)表面，不銹鋼復(fù)層表面光亮，無(wú)明顯氧化、腐蝕痕跡，說(shuō)明該塔運(yùn)行情況良好，埋藏缺陷的產(chǎn)生與塔內(nèi)介質(zhì)無(wú)直接關(guān)系。筒體壁厚較大，焊縫較寬。從焊縫橫截面觀察，筒體對(duì)接焊縫采用了雙面開(kāi)坡口全焊透結(jié)構(gòu)，焊接接頭無(wú)未熔合、氣孔等缺陷。

圖1 吸收塔A2焊縫取樣部位及缺陷分布

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)該送檢焊縫金屬及筒體基層母材的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 焊縫金屬及筒體基層母材化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

筒體基層母材化學(xué)成分符合ASTM SA-516/SA-516-2017《中、低溫壓力容器用碳鋼板》［2］的相關(guān)要求。依據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量證明文件，筒體焊縫選用JL-507E牌號(hào)焊條，對(duì)應(yīng)焊條型號(hào)為E5015，A2焊縫金屬化學(xué)成分也符合GB/T 5117-2012《非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條》［3］中E5015焊條熔敷金屬化學(xué)成分的相關(guān)要求。

1.3 埋藏缺陷定位及顯示

分析缺陷成因應(yīng)明確缺陷形態(tài)、位置及開(kāi)裂形貌等關(guān)鍵特征，這就需要對(duì)缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ蛊淝逦@示。綜合運(yùn)用超聲檢測(cè)、切割、滲透檢測(cè)、打磨等方法處理缺陷樣品，使埋藏缺陷得到直觀顯示。最終只有2條線性裂紋缺陷顯示，分別標(biāo)記為裂紋1和裂紋2，見(jiàn)圖2。2條裂紋均位于筒體基層焊縫內(nèi)部，垂直于焊縫分布，裂紋較細(xì)，呈臺(tái)階狀，裂紋內(nèi)無(wú)腐蝕產(chǎn)物存在，最大長(zhǎng)度約22 mm，與現(xiàn)場(chǎng)超聲檢測(cè)結(jié)果一致。

圖2 埋藏缺陷位置及形態(tài)

1.4 金相組織分析

選取裂紋1試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其微觀形貌見(jiàn)圖3。圖3a顯示裂紋呈臺(tái)階狀擴(kuò)展，圖3b顯示裂紋尖端圓鈍。圖3c為在檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的位于焊縫內(nèi)的微裂紋，長(zhǎng)度小于1 mm，垂直于焊縫分布，亦呈臺(tái)階狀擴(kuò)展。

圖3 裂紋1局部微觀形貌

吸收塔筒體壁厚約86 mm，選取1/2壁厚處進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。分析圖4和圖5可知，筒體母材組織為鐵素體+珠光體，焊縫金相組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，熱影響區(qū)金相組織為鐵素體+珠光體+回火馬氏體，組織正常。筒體壁厚較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)易出現(xiàn)板條馬氏體組織。但從檢驗(yàn)結(jié)果看，熱影響區(qū)組織中無(wú)板條馬氏體存在，為回火馬氏體，說(shuō)明該設(shè)備出廠前進(jìn)行了較好的焊后熱處理，及時(shí)消除了焊縫殘余應(yīng)力［4-5］。

圖4 吸收塔筒體1/2壁厚處母材和焊縫金相組織形貌（100×）

圖5 吸收塔筒體1/2壁厚處母材和焊縫熱影響區(qū)金相組織形貌（100×）

1.5 沖擊性能測(cè)定

考慮到筒體壁厚T較大，在不同厚度部位加工沖擊韌性試樣，垂直焊縫方向和平行于焊縫方向分別取樣，沖擊吸收功測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，焊接接頭沖擊吸收功均滿足NB/T 47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》［6］中不小于38 J的高要求。依據(jù)NB/T 47016-2011，焊縫沖擊韌性值與抗拉強(qiáng)度下限值Rm相關(guān)，因該焊縫樣品尺寸較小，未進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，故在沖擊要求值中選取最高要求作為參考。

表2 筒體不同厚度部位沖擊吸收功試驗(yàn)結(jié)果

1.6 焊接接頭硬度測(cè)定

對(duì)送檢樣品進(jìn)行硬度檢測(cè)，測(cè)定位置及序號(hào)見(jiàn)圖6。以筒體基層母材外壁為基準(zhǔn)面，在1/2、1/4、3/4厚度處分別測(cè)定，點(diǎn)1、2、3位于母材區(qū)域,點(diǎn) 4、5 位于熱影響區(qū)，點(diǎn) 6、7、8 位于焊縫區(qū)域。硬度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖7，測(cè)點(diǎn)硬度最大值小于220 HV，所有區(qū)域硬度值在正常范圍內(nèi)。

圖6 焊接接頭硬度測(cè)點(diǎn)位置及序號(hào)

圖7 焊接接頭硬度測(cè)定結(jié)果

1.7 裂紋微觀形貌分析

打開(kāi)裂紋2，以裂紋面為觀察面，對(duì)裂紋擴(kuò)展形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。裂紋斷口平整、發(fā)亮，存在金屬小顆粒，附著有褐色垢物，垢物易脫落，裂紋擴(kuò)展方向如圖8a中箭頭所示。采用掃描電鏡對(duì)裂紋面微觀形貌進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)到裂紋尖端主要以圓形白點(diǎn)、魚(yú)眼型白點(diǎn)、浮云狀白點(diǎn)特征為主，并存在少量韌窩及韌窩帶。從裂紋擴(kuò)展區(qū)至尖端進(jìn)行觀察，魚(yú)眼型白點(diǎn)由小而深變?yōu)榇蠖鴾\，圓形白點(diǎn)由多變少。

圖8 裂紋2斷面擴(kuò)展形貌

2 吸收塔筒體焊縫裂紋成因分析

2.1 工藝狀況

該塔為天然氣凈化裝置吸收塔，塔內(nèi)主要介質(zhì)為高含硫天然氣和胺液，筒體板材為復(fù)合板，內(nèi)壁襯里為316L不銹鋼。筒體內(nèi)壁宏觀檢查結(jié)果表明，襯里完好，沒(méi)有裂紋、腐蝕坑等缺陷，金相檢驗(yàn)過(guò)程中也未發(fā)現(xiàn)裂紋、超標(biāo)夾雜物等缺陷。以上檢驗(yàn)結(jié)果均表明，塔內(nèi)介質(zhì)對(duì)不銹鋼襯里無(wú)損傷。由襯里完好無(wú)損可推斷，基層材料不會(huì)受到介質(zhì)的腐蝕作用。此外，該塔操作溫度為43℃，在筒體基層材料使用溫度范圍內(nèi)，也不會(huì)因高溫或低溫產(chǎn)生開(kāi)裂，所以，基層焊縫埋藏缺陷的萌生與塔的運(yùn)行工況無(wú)關(guān)。

2.2 開(kāi)裂機(jī)理分析

根據(jù)埋藏缺陷的萌生與設(shè)備運(yùn)行狀況無(wú)關(guān)推斷，原因極可能為制造缺陷。該塔筒體壁厚為86 mm+3 mm，屬于厚壁容器，基層熱影響區(qū)易出現(xiàn)有害的馬氏體組織，但在實(shí)際檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備組織中不存在馬氏體，且焊接接頭硬度均小于200 HV，說(shuō)明制造過(guò)程中焊后熱處理做得很好，埋藏缺陷不是焊接應(yīng)力造成。據(jù)此推斷，該缺陷在焊接過(guò)程中就已經(jīng)存在，這種情況與焊接實(shí)施條件有很大關(guān)系。

埋藏缺陷均位于基層焊縫內(nèi)，垂直于焊縫分布，裂紋長(zhǎng)度在0.5～22 mm，裂紋微觀狀態(tài)呈臺(tái)階狀擴(kuò)展，以穿晶開(kāi)裂為主，且裂紋內(nèi)無(wú)腐蝕產(chǎn)物存在。結(jié)合掃描電鏡圖像分析，該塔裂紋面微觀特征以圓形或橢圓形白點(diǎn)、魚(yú)眼、浮云、波紋狀白點(diǎn)、韌窩及韌窩帶為主，這一系列特征均與氫致開(kāi)裂特征相吻合，因此焊縫埋藏缺陷可判斷為氫致裂紋［7］。

2.3 氫來(lái)源與裂紋形成

塔內(nèi)介質(zhì)為胺液和天然氣，不存在產(chǎn)生H原子的條件。外部為保溫層，也不存在產(chǎn)生H原子的條件，故該焊縫內(nèi)的H原子全部來(lái)自于焊接過(guò)程。焊接過(guò)程中H原子的來(lái)源主要是H2O的分解，H2O在焊接電弧的高溫作用下會(huì)分解出游離的H原子，H原子在熔池中溶解，形成溶解H。水的來(lái)源主要有受潮焊條、焊絲，焊口處的鐵銹，焊口處有霜、雪、濕氣、油污或油漆等有機(jī)物以及空氣濕度過(guò)大等。

金屬材料的氫脆通常為低應(yīng)力延遲破壞，當(dāng)應(yīng)力低于門檻應(yīng)力值σth時(shí)不發(fā)生斷裂。當(dāng)鋼中的裂紋前沿溶解氫的濃度達(dá)到臨界值時(shí)，在應(yīng)力與氫的共同作用下裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展是斷續(xù)式的，間歇時(shí)間為H的聚集所消耗的時(shí)間［8-10］。對(duì)于該焊縫內(nèi)的埋藏缺陷，其受力狀態(tài)相似，裂紋是否擴(kuò)展取決于溶解于焊縫中的H含量。H在金屬中的溶解度隨著溫度變化而變化，當(dāng)溫度降低或組織轉(zhuǎn)變，H的溶解度由大變小時(shí)，H便從固溶體中析出，部分H由于凝固或冷卻速度較快，就殘留在金屬基體內(nèi)。在鋼焊接過(guò)程中由于空氣中的水汽、焊條中的水以及材料表面水漬、油污等的存在，水受熱分解產(chǎn)生H+，焊接時(shí)熔池平均溫度在1 700℃，焊縫金屬為熔融液態(tài)，組織中H的溶解度（每100 g熔敷金屬組織中擴(kuò)散氫的體積數(shù)）大于25 mL，在之后的冷卻過(guò)程中伴隨著組織形態(tài)由L→δ-Fe→γ-Fe→α-Fe的變化過(guò)程，H在焊縫中的溶解度逐步減低，甚至為0。先前溶解在焊縫中的H來(lái)不及逸出并在焊縫不斷聚集，當(dāng)焊縫中溶解的H濃度達(dá)到臨界值時(shí)，在應(yīng)力與H的共同作用下裂紋開(kāi)始擴(kuò)展。

2.4 裂紋活性評(píng)定

塔焊縫中的埋藏缺陷是否會(huì)持續(xù)擴(kuò)展，決定了設(shè)備的維修方案和安全狀況等級(jí)。裂紋的擴(kuò)展需要有應(yīng)力的作用，裂紋所受應(yīng)力水平與其斷口微觀組織形貌相互關(guān)聯(lián)。研究中常用應(yīng)力強(qiáng)度因子K來(lái)表征其擴(kuò)展應(yīng)力狀態(tài)，有研究表明，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子K值較大時(shí)，斷口組織呈穿晶韌窩型形貌；K值中等時(shí)，斷口組織呈準(zhǔn)解理或解理形貌，或準(zhǔn)解理與韌窩混合形貌。結(jié)合該塔裂紋面微觀形貌，裂紋總長(zhǎng)約20 mm，打開(kāi)裂紋長(zhǎng)度約11 mm，裂紋擴(kuò)展區(qū)以小而深的魚(yú)眼狀白點(diǎn)特征為主，K值中等，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中應(yīng)力逐漸釋放，K值減小，魚(yú)眼狀組織特征變淺，而準(zhǔn)解理組織特征增多［11-12］進(jìn)行裂紋活性綜合評(píng)定，認(rèn)為裂紋尖端部位在原裂紋擴(kuò)展過(guò)程中其應(yīng)力已充分釋放，裂紋不會(huì)再發(fā)生擴(kuò)展。

3 建議

（1）控制氫的來(lái)源 焊接過(guò)程中H的來(lái)源主要是H2O的分解，H2O在焊接電弧的高溫作用下會(huì)分解出游離的H，H在熔池中溶解，形成溶解H。水的來(lái)源主要有受潮焊條、焊絲，焊口處的鐵銹，焊口處有霜、雪、濕氣、油污或油漆等有機(jī)物以及空氣濕度過(guò)大等。在實(shí)際操作中可通過(guò)保持焊材的干燥、焊件的清潔，作業(yè)區(qū)濕度適宜及采用埋弧自動(dòng)焊等方法控制氫的浸入［13］。

（2）加強(qiáng)H向金屬外的擴(kuò)散 H的擴(kuò)散速率與焊縫溫度有關(guān)，溫度越高，H逸出得越快。在焊接過(guò)程中，可通過(guò)焊前預(yù)熱、焊后緩冷等措施延長(zhǎng)焊縫高溫停留時(shí)間，有效促進(jìn)H的擴(kuò)散或者在焊接完成后及時(shí)進(jìn)行消氫熱處理［13-15］。

（3）使用管理及檢驗(yàn) 設(shè)備使用單位和檢驗(yàn)單位應(yīng)對(duì)埋藏缺陷部位重點(diǎn)關(guān)注，如月度檢查、年度檢查、定期檢驗(yàn)時(shí)作為重點(diǎn)檢驗(yàn)對(duì)象，并與上次檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定裂紋有無(wú)擴(kuò)展或新增，必要時(shí)采用聲發(fā)射確定裂紋的活性，并進(jìn)行基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)（RBI）分析。

4 結(jié)語(yǔ)

該吸收塔筒體環(huán)焊縫中的埋藏缺陷呈臺(tái)階狀，以穿晶、沿晶混合擴(kuò)展為主，裂紋無(wú)分叉、無(wú)腐蝕產(chǎn)物存在。裂紋面平整、無(wú)塑性變形，呈脆性開(kāi)裂特征。從微觀形貌分析，擴(kuò)展區(qū)以準(zhǔn)解理、魚(yú)眼組織及韌窩組織特征為主，裂紋尖端以準(zhǔn)解理組織為主，符合焊接氫致開(kāi)裂特征，判斷為制造原始埋藏缺陷。另外，從裂紋面微觀形貌特征判斷，埋藏裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子K值較小，即裂紋尖端應(yīng)力較小，所以裂紋不會(huì)再發(fā)生擴(kuò)展、延伸，無(wú)需實(shí)施返修操作，但要定期對(duì)類似缺陷部位進(jìn)行監(jiān)控并檢測(cè)其裂紋活性。