沈紅杰

(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

1 焊接接頭的強(qiáng)度匹配

一般焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則基本上是強(qiáng)度設(shè)計(jì)。在實(shí)際的焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫與母材在強(qiáng)度上的配合關(guān)系有3種，其中焊縫強(qiáng)度低于母材為低匹配，焊縫強(qiáng)度等于母材為等強(qiáng)匹配(簡(jiǎn)稱等匹配)，焊縫強(qiáng)度超出母材為高匹配【1】。從結(jié)構(gòu)的安全可靠性考慮，焊接材料的選擇原則一般是焊縫金屬的性能(包括強(qiáng)度)高于或等于母材。

20號(hào)鋼普遍應(yīng)用于煉化裝置的壓力容器、管道、換熱器和空冷器的管束。其手工電弧焊(SMAW)一般選用J427(或J422)焊條，有時(shí)也選用J507焊條。20號(hào)鋼抗拉強(qiáng)度Rm≥410 MPa，J422和J427焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度Rm≥430 MPa， J507焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度Rm≥430 MPa，因此20號(hào)鋼選用J427(或J422)焊條為等匹配，選用J507焊條為高匹配。由于碳鋼強(qiáng)度和硬度比較低，煉油廠中使用的典型碳鋼一般不會(huì)受到硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)影響【2】，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)選用J507焊條焊接的20號(hào)鋼接頭在濕硫化氫環(huán)境中出現(xiàn)SSCC，因此需進(jìn)一步研究分析。

2 工程失效案例

2.1 酸性水汽提裝置

某公司煉油廠酸性水汽提裝置采用雙塔汽提裝置工藝流程，分別回收硫化氫、氨和凈化水。酸性水管道的材質(zhì)為20號(hào)鋼無縫鋼管，管道安裝時(shí)采用J507(E5015)焊條，焊接接頭焊后沒有進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

該裝置投產(chǎn)運(yùn)行1年左右，酸性水管線發(fā)生多次開裂泄漏，裂紋主要位于酸性水原料管線的焊接接頭處，長(zhǎng)度較短，一般<5 mm。裝置在停工檢修期間，對(duì)部分酸性水管道焊接接頭進(jìn)行射線檢測(cè)，抽查檢測(cè)管線500 m，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋。同時(shí)對(duì)部分DN80以上管線焊接接頭增加消應(yīng)力熱處理。但從運(yùn)行情況來看，效果并不明顯。檢修后開工半年左右，又發(fā)現(xiàn)20多處焊接接頭開裂泄漏，其中6處曾在停工檢修時(shí)進(jìn)行過增加的消應(yīng)力熱處理。

所有的裂紋都起源于管道內(nèi)壁，裂紋主要出現(xiàn)在焊縫、熔合線附近，如圖1和圖2所示。裂紋在擴(kuò)展過程中具有明顯的分叉，絕大部分是穿晶擴(kuò)展，尖且細(xì)。焊接接頭的硬度基本在200 HB以下，但部分焊縫和熱影響區(qū)偏高，接近200 HB，結(jié)果如表1所示。經(jīng)失效分析，該管線焊縫接頭泄漏是SSCC所致。

圖1 熔合線裂紋(50×)

圖2 焊縫內(nèi)壁裂紋(50×)

表1 焊接接頭硬度值

2.2 氣體脫硫裝置【3】

某煉油廠氣體脫硫裝置富氣壓縮機(jī)二段出口管線，介質(zhì)為濕硫化氫，管線材料為20號(hào)鋼，焊接選用J507焊條，焊后沒有進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。在運(yùn)行中液位計(jì)接管和排污管焊接接頭多次開裂，開裂原因是硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)。裂紋的金相形貌見圖3和圖4。

圖3 液位計(jì)接管焊縫根部裂紋(100×)

圖4 排污管根部裂紋(50×)

將排污管和液位計(jì)接管沿接管縱向剖開取樣，采用顯微硬度計(jì)測(cè)量排污管和液位計(jì)接管焊接接頭中焊縫、熔合線、熱影響區(qū)和母材的硬度，測(cè)量結(jié)果見表2。

表2 接管焊接接頭硬度測(cè)試結(jié)果 HV

2.3 加氫裝置高壓空冷

煉油加氫裝置高壓空冷器(熱高分氣空冷器)管束材質(zhì)一般為10號(hào)或20號(hào)鋼，管箱材質(zhì)為Q345R (HIC)，管束與管板一般采用強(qiáng)度焊+貼脹連接。空冷器制造廠進(jìn)行管束與管板焊接時(shí)，有時(shí)選用與20號(hào)鋼等匹配的J427焊條，也有時(shí)選用與Q345R (HIC)等匹配的J507焊條。在加氫裝置開工催化劑預(yù)硫化過程中，發(fā)現(xiàn)選用J507焊條焊接的管束與管板接頭處出現(xiàn)泄漏，而選用J427焊條焊接的管束與管板接頭沒有發(fā)生泄漏。加氫裝置預(yù)硫化是典型濕硫化氫工況，硫化氫濃度達(dá)到10 000～20 000 mg/L。

如某煉油廠180萬t/a柴油加氫改質(zhì)項(xiàng)目開工預(yù)硫化后，在反應(yīng)系統(tǒng)引油時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓空冷器A-101管束與管板連接位置發(fā)生泄漏，拆除對(duì)應(yīng)管箱堵頭對(duì)管束接頭焊縫進(jìn)行切削并進(jìn)行滲透檢測(cè)(PT)，發(fā)現(xiàn)焊縫存在縱向裂紋【4】，如圖5所示。又如，某公司柴油加氫裝置開工預(yù)硫化過程中發(fā)現(xiàn)熱高分空冷器EA-101B泄漏，泄漏部位在空冷器管箱側(cè)管子和管板焊接接頭處，有2處，如圖6所示。將空冷器管箱切割后，對(duì)管頭焊接部位進(jìn)行PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)共有裂紋36處【5】。后經(jīng)失效分析，這兩起高壓空冷器管束與管板焊縫接頭泄漏事件均屬于硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)。

圖5 高壓空冷器管頭焊縫縱向裂紋

圖6 高壓空冷器管頭焊接接頭PT檢測(cè)裂紋

3 SSCC敏感性試驗(yàn)

為了分析20號(hào)鋼采用不同匹配焊條焊接和焊后熱處理對(duì)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)敏感性的影響，采用NACE TM0177 標(biāo)準(zhǔn)中的C法(即C型環(huán)試驗(yàn)方法)，對(duì)20號(hào)鋼不同狀態(tài)的焊接接頭進(jìn)行了SSCC敏感性試驗(yàn)比較【6】。分別采用等匹配J422焊條和高匹配J507焊條進(jìn)行焊接；每種焊條焊接的接頭分別進(jìn)行兩種狀態(tài)的處理，即進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理和不進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，得到4種不同狀態(tài)的焊接接頭；每種狀態(tài)都準(zhǔn)備兩個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同狀態(tài)的焊接接頭SSCC敏感性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示：3號(hào)試樣在硫化氫腐蝕環(huán)境中開裂最嚴(yán)重，4號(hào)試樣次之；裂紋微觀形貌的脆性特征明顯，無明顯塑性變形，以穿晶為主。由表4 可見，20號(hào)鋼選用等匹配J422焊條焊接的接頭不管是否進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，都沒有出現(xiàn)焊接接頭開裂，而選用高匹配J507焊條焊接的接頭不管是否進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，都出現(xiàn)了焊接接頭開裂。這和裝置酸性水管道增加焊后消應(yīng)力熱處理后，部分焊縫接頭仍出現(xiàn)開裂泄漏情況一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，選用J422焊條焊接的接頭比選用J507焊條焊接的接頭更能抵抗?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕開裂。

4 分析與討論

煉油設(shè)備的硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SSCC)受多參數(shù)相互作用的影響，除與介質(zhì)環(huán)境參數(shù)(硫化氫濃度、pH值、溫度等)有關(guān)外，還主要同焊接接頭的材料成分、強(qiáng)度、硬度、顯微組織等因素有關(guān)。

從焊條熔敷金屬化學(xué)成分看，焊條J507的錳含量≤1.6%，J427的錳含量≤1.2%(詳見表5)，焊條J507中錳含量高于J427。據(jù)相關(guān)資料報(bào)道【7】，錳是鋼材中對(duì)濕硫化氫開裂有重要影響的化學(xué)元素，其在碳鋼抗?jié)窳蚧瘹鋺?yīng)力腐蝕開裂方面是極其有害的，特別是錳含量>1.3%時(shí)，其危害急劇增加?！稘窳蚧瘹洵h(huán)境下設(shè)備設(shè)計(jì)導(dǎo)則》【8】中對(duì)處于濕硫化氫腐蝕環(huán)境設(shè)備焊接時(shí)的焊接材料有明確規(guī)定，即焊接材料中錳應(yīng)盡可能低，手工電弧焊(SMAW)使用焊接材料中錳含量宜控制在≤1.0%。

表5 焊條熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

從焊接接頭強(qiáng)度看， 一般制造中按照熔敷金屬強(qiáng)度來選擇焊接材料， 而熔敷金屬不等同于焊縫金屬， 特別是低合金鋼焊接材料， 其焊縫金屬的強(qiáng)度比熔敷金屬的強(qiáng)度高。選用高匹配J507焊條焊接的焊縫金屬強(qiáng)度大于20號(hào)鋼母材強(qiáng)度。據(jù)資料報(bào)道【1】， 高強(qiáng)度的焊縫， 其韌性將受到一定程度的損傷， 使其氫致開裂及應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加， 而選用等強(qiáng)或接近等強(qiáng)匹配的焊接材料， 焊接接頭最容易獲得最優(yōu)異的抗脆斷性能。

從硬度和焊縫組織看， 錳是一種易偏析的元素， 它具有降低鋼的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的作用， 當(dāng)偏析區(qū)錳、 碳含量達(dá)到一定比例時(shí)， 極易在焊后冷卻過程中導(dǎo)致馬氏體/貝氏體組織的增加，使顯微硬度升高(如錳含量為1.64%的鋼材， 富錳帶中錳含量高達(dá)4.66%， 顯微硬度值達(dá)380 HB)， 對(duì)SSCC敏感性增加(見表6，參照API 581)，而成為SSCC的起源【9】。雖然其宏觀硬度值可能不高，但在具有高硬度值的顯微組織部位仍然能引發(fā)SSCC。

表6 SSCC敏感性

因此, 從焊接接頭的材料化學(xué)成分、強(qiáng)度、硬度、顯微組織分析, 20號(hào)鋼選用高匹配J507焊材焊接的接頭比選用等匹配J427(或J422)焊材焊接的接頭更易發(fā)生濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂。

5 結(jié)論

1) 工程案例和試驗(yàn)結(jié)果表明：20號(hào)鋼選用高匹配J507焊條焊接的接頭不管是否進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，在濕硫化氫工況下都出現(xiàn)了焊接接頭開裂，說明在濕硫化氫工況下選用高匹配的J507焊條焊接20號(hào)鋼是不合適的。

2) 為了降低或避免碳鋼管線發(fā)生SSCC，目前NACE-MR0103和NACE RP0472等規(guī)范均采取了控制焊接接頭硬度的方法，要求焊縫硬度不高于200 HB，熱影響區(qū)(HAZ)硬度不高于248 HV。但現(xiàn)場(chǎng)使用和試驗(yàn)結(jié)果表明，碳鋼管線選用高匹配焊接材料，雖焊接接頭硬度滿足規(guī)范要求，但仍可能出現(xiàn)SSCC。因此需對(duì)母材和焊接材料的強(qiáng)度匹配提出具體要求，在硫化物應(yīng)力腐蝕開裂工況下，碳鋼管線設(shè)備應(yīng)選擇與母材等強(qiáng)度的焊接材料更為合適。