發(fā)表時間： 2023-08-14 14:25:00
作者： 沈紅杰
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關(guān)鍵詞 | 酸性水汽提 酸性水管線 開裂
導(dǎo)讀
高橋石化酸性水汽提裝置采用雙塔汽提工藝，分別回收H2S，NH3和凈化水。酸性水管道的材質(zhì)為20號無縫鋼管，管道安裝時采用J507焊條進行焊接，焊接接頭未進行焊后消除應(yīng)力熱處理。
該裝置投產(chǎn)運行一年左右，酸性水管線多次發(fā)生焊接接頭開裂泄漏。在裝置停工檢修期間，對部分焊接接頭進行消除應(yīng)力熱處理。在裝置繼續(xù)運行半年左右，又發(fā)現(xiàn)20多處焊接接頭開裂泄漏，其中6處曾在裝置停工檢修時做過消除應(yīng)力熱處理。為了查找管線開裂原因，在酸性水原料罐到汽提塔的管線上截取開裂泄漏的焊接接頭試樣，對其進行腐蝕產(chǎn)物成分分析、宏觀檢驗、硬度檢測及金相組織分析，并對不同處理狀態(tài)的焊接接頭進行了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂（SSCC）的敏感性評價。
介質(zhì)成分和裂紋互動管形貌
01酸性水水質(zhì)成分
酸性水管道的操作壓力為1.4MPa，操作溫度為40℃左右。酸性水呈堿性，其pH值大于7，水質(zhì)成分見表1。
02裂紋宏觀形貌
泄漏的焊接接頭及其裂紋形貌分別見圖1和圖2。
接頭規(guī)格為60mm×5mm。從圖2可知，裂紋位于焊縫邊緣和熱影響區(qū)，長約5mm，呈弧形。
檢測與分析
01腐蝕產(chǎn)物成分分析
對焊接接頭內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物進行元素分析，結(jié)果見表2。
由表2可以看出，腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氧化物（FeO）和少量的硫化物（MnS和FeS2）。
02硬度檢測
對泄漏的焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)和母材等部位進行布氏硬度檢測，結(jié)果見表3。
硬度檢測結(jié)果表明，母材的硬度普遍較小，而大部分焊縫和熱影響區(qū)的硬度偏高。
03金相組織分析
對出現(xiàn)裂紋的焊接接頭取樣進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)材料的顯微結(jié)構(gòu)具有以下特點：（1）裂紋主要出現(xiàn)在熔合線和焊縫附近（分別見圖3和圖4），所有的裂紋均起源于管道內(nèi)壁，即與腐蝕介質(zhì)密切接觸的地方。
裂紋初始形成時較寬，在擴展過程中逐漸變細變尖，并出現(xiàn)明顯的分叉，具有穿晶擴展裂紋特征，其微觀形貌見圖5。
（2）母材、焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)等區(qū)域的顯微組織各不相同，分別見圖6至圖9。
從金相組織分析可以看出，母材的顯微組織以鐵素體為主，并含少量的珠光體，相對于母材來說，焊縫含有較多的珠光體；焊縫和母材的晶粒較細，而熱影響區(qū)和熔合區(qū)的晶粒較為粗大；焊縫和熔合區(qū)含有較多的魏氏組織。在焊接施工過程中，由于工藝操作不規(guī)范，線能量輸入偏大，導(dǎo)致局部過熱，且焊后冷卻速度較大，容易造成焊縫和熱影響區(qū)的組織及性能發(fā)生變化。
SSCC敏感性評價試驗
在濕硫化氫工況下，20號管線焊接施工后存在部分焊接接頭開裂失效案例，如焦化脫硫裝置富氣壓縮機二段出口管線就曾經(jīng)發(fā)生過多次焊接接頭開裂現(xiàn)象，其介質(zhì)為濕硫化氫，管道材質(zhì)為20號鋼，焊接時選用J507焊條。因此，在濕硫化氫工況下，需對20號鋼焊接接頭進行SSCC敏感性評價。焊接材料的選擇一般要求焊縫金屬的性能高于或等于母材。20號鋼抗拉強度不小于410MPa，J422和J427焊條熔敷金屬抗拉強度不小于430MPa，J507焊條熔敷金屬抗拉強度不小于490MPa，因此20號鋼焊接時選用J427或J422焊條為等強度匹配，而選用J507焊條為高強度匹配。
為了考察20號鋼焊接材料和焊后熱處理對SSCC敏感性的影響，采用NACETM0177-2016標準中的C法即C型環(huán)試驗方法對不同處理狀態(tài)的焊接接頭進行了SSCC敏感性評價，試驗結(jié)果見表4。
試驗結(jié)果顯示，在濕硫化氫腐蝕環(huán)境中，11號、12號、21號和22號試樣均未出現(xiàn)裂紋，而31號、32號、41號和42號均出現(xiàn)裂紋，以穿晶擴展裂紋為主，材料微觀形貌的脆性斷裂特征明顯，無明顯塑性變形，具有SSCC的一般特征。選用J422焊條與20號鋼進行焊接的接頭不管是否經(jīng)過焊后消除應(yīng)力熱處理，均未發(fā)生焊接接頭開裂；而選用J507焊條與20號鋼進行焊接的接頭不管是否經(jīng)過焊后消除應(yīng)力熱處理，均出現(xiàn)焊接接頭開裂。
管線開裂原因分析
通過裂紋宏觀分析、腐蝕產(chǎn)物成分分析、硬度檢測和金相分析結(jié)果得出，酸性水管線焊接接頭開裂具有以下特點：裂紋起源于管道內(nèi)壁，為穿晶擴展裂紋，裂紋起始端較寬，尾端比較尖細，裂紋擴展時出現(xiàn)明顯的分叉，具有SSCC的特征。
SSCC敏感性評價試驗結(jié)果表明，與選用J507焊條焊接的接頭相比，選用J422焊條焊接的接頭具有更加優(yōu)異的抗SSCC性能和抗脆斷性能。同時從現(xiàn)場使用情況來看，選用與20號鋼高強度匹配的J507焊條焊接的接頭不管是否經(jīng)過焊后消除應(yīng)力熱處理，均出現(xiàn)焊接接頭開裂。因此，在酸性水工況下，不宜選用與20號鋼高強度匹配的J507焊條進行焊接，而應(yīng)選用與20號鋼等強度匹配的J422或J427焊條進行焊接。
焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表5。
從表5來看，J507焊條中Mn的質(zhì)量分數(shù)為1.60%，明顯大于J427和J422焊條。Mn是一種易偏析的元素，能降低材料中的馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)Mn在偏析區(qū)累積達到一定比例時，在焊后冷卻過程中，會產(chǎn)生馬氏體和貝氏體等高硬度的顯微組織，易引發(fā)SSCC。因此，為了提高鋼材抗SSCC的性能，應(yīng)該將焊材中的錳含量降到盡可能低的水平。
結(jié)論與措施
（1）酸性水管線焊接接頭開裂泄漏是由SSCC引起的，其開裂的主要原因在于20號鋼管線焊接時選用了高強度匹配的J507焊條。
（2）現(xiàn)場實踐和試驗結(jié)果表明，選用與20號鋼高強度匹配的J507焊條進行焊接，雖然焊接接頭經(jīng)過焊后消除應(yīng)力熱處理，其硬度滿足規(guī)范要求，但仍可能出現(xiàn)SSCC。因此，在酸性水工況下，碳鋼管線應(yīng)選擇與母材等強度匹配的焊接材料。
