臨氫不銹鋼管道穩(wěn)定化熱處理

趙　倉(cāng)

摘要：以海南煉化310萬(wàn)噸／年渣油加氫裝置為例，在劣質(zhì)原油加工新工藝條件下，研究H₂、H₂S對(duì)材料、焊縫腐蝕破壞的機(jī)理，并在實(shí)踐中，通過(guò)多項(xiàng)試驗(yàn)，摸索總結(jié)出在這一特定生產(chǎn)工藝條件下，選用超低碳不銹鋼材料、窄焊縫、小電流、多層多道焊、水循環(huán)法控制焊接層間溫度、焊縫進(jìn)行特定的穩(wěn)定化熱處理的施工工藝，成功解決了渣油加氫裝置焊縫腐蝕的問(wèn)題，為此類裝置的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：晶間腐蝕應(yīng)力腐蝕機(jī)理穩(wěn)定化熱處理金相組織

0引言

對(duì)煉油企業(yè)來(lái)講，陳舊的煉油技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足環(huán)保發(fā)展的要求。同時(shí)，各煉油企業(yè)為了降低成本，獲得更好的效益，采購(gòu)加工的低價(jià)位原油質(zhì)量越來(lái)越差。在20世紀(jì)90年代后期，渣油加氫(以下簡(jiǎn)稱RDS)技術(shù)的應(yīng)用，即利用劣質(zhì)原油成功生產(chǎn)出更加清潔、環(huán)保的各種燃料，也取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。所以其工藝具有非常好的開(kāi)發(fā)利用前景。

海南煉油化工有限公司的310萬(wàn)噸／年渣油加氫(簡(jiǎn)稱RDS)是我國(guó)第四套、對(duì)劣質(zhì)渣油加工能力最大的裝置。RDS由于工藝介質(zhì)為渣油、同時(shí)又臨氫的特點(diǎn)，生產(chǎn)中的氫腐蝕及劣質(zhì)油品中各種有害成份的腐蝕廣泛存在，并可能導(dǎo)致管材、焊縫破裂引發(fā)惡性安全事故。積極研究RDS裝置腐蝕機(jī)理，并采取相應(yīng)的措施，預(yù)防其發(fā)生，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1臨氫不銹鋼腐蝕類型及腐蝕機(jī)理

1.1腐蝕類型在RDS加氫反應(yīng)過(guò)程的高溫高壓環(huán)境下，研究發(fā)現(xiàn)其主要腐蝕破裂類型有：①高溫高壓下的H₂腐蝕；②高溫H₂S一氫腐蝕；③氫脆；④高溫硫或硫化氫與氫共存的腐蝕。⑤硫氫化銨的腐蝕等。

1.2臨氫不銹鋼系統(tǒng)的腐蝕機(jī)理

1.2.1高溫高壓下的H₂腐蝕高溫高壓條件下，分子氫發(fā)生部分分解，轉(zhuǎn)化為原子氫或離子氫，并通過(guò)金屬晶格向鋼內(nèi)擴(kuò)散，與鋼中的不穩(wěn)定碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成甲烷氣泡。甲烷氣泡在晶間空穴和非金屬夾雜部位聚集，而甲烷在鋼中的擴(kuò)散能力很小，聚集在晶界原有的微觀空隙或亞微觀空隙內(nèi)，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中，使晶界變寬，并發(fā)展成為裂紋，開(kāi)始裂紋是很微小的，但隨著時(shí)間變化，無(wú)數(shù)裂紋相連，引起鋼的強(qiáng)度、延展性和韌性等材料力學(xué)性能下降與劣化，發(fā)生晶間斷裂。

1.2.2 高溫H₂S一氫腐蝕H₂S是RDS裝置生產(chǎn)過(guò)程中不可避免的氣體組份，渣油原料中的硫化物經(jīng)過(guò)加氫后生成H₂s，同時(shí)在加氫反應(yīng)器中催化劑預(yù)硫化時(shí)，需要加入DMDS，這些硫，一部分用于對(duì)催化劑的硫化，多余部分則與H₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成H₂S。由于生產(chǎn)工藝對(duì)催化劑活性的要求，在整個(gè)RDS系統(tǒng)中也要求保持一定濃度的H₂S。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，H₂S腐蝕速度的因素主要取決于H₂S的溫度和濃度。當(dāng)溫度大于260℃時(shí)，腐蝕速度加快，且隨著溫度的升高而加劇，尤其溫度在315～480℃之間時(shí)，每增加55℃，腐蝕率增加2倍。而RDS裝置中，從反應(yīng)進(jìn)料加熱爐到加氫反應(yīng)器、熱高壓分離器的系統(tǒng)操作溫度均超過(guò)了350℃，達(dá)到了H₂S腐蝕的敏感溫度區(qū)。硫化氫的腐蝕不但危害設(shè)備及管線，同時(shí)腐蝕產(chǎn)物被帶入反應(yīng)器內(nèi)，將會(huì)堵塞床層，導(dǎo)致壓差增大，影響裝置正常運(yùn)行。降低生產(chǎn)效益。

2采取的相關(guān)措施

2.1原材料臨氫環(huán)境中鋼材的腐蝕機(jī)理表明，降低焊縫金屬中的碳含量直至低于它在奧氏體鋼中室溫附近的溶解極限，極大的減少碳的析出及(Gr.Fe)₂₃C₆的形成，最大限度的減少“貧鉻區(qū)”的出現(xiàn)，從而達(dá)到防止晶間腐蝕的目的。以海南煉化RDS裝置加氫反應(yīng)器出入口管線為例，均采用TP321超低碳不銹鋼材料(此部位操作溫度401℃，操作壓力170.3Kg/sqca)，取得了很好的效果。

2.2組對(duì)坡口的型式及機(jī)械加工

2.2.1在保證焊接質(zhì)量、滿足焊縫成型要求的前提下，采用窄焊縫的坡口型式，盡可能減少熔敷金屬量，使輸入焊接熔池的熱量最小，在焊接熔池停留時(shí)間最短，縮短焊接接頭在敏化溫度450～850℃區(qū)段停留的時(shí)間，減少敏化溫度對(duì)焊接接頭的影響。

2.2.2機(jī)械加工坡口為減少焊接接頭內(nèi)部缺陷，減小H₂及H₂S在鋼中聚集的空間而產(chǎn)生腐蝕，采用機(jī)械加工坡口的方法，保證加工尺寸滿足焊接的要求。實(shí)踐證明：采用收縮式V型坡口，既避免鈍邊過(guò)大、組對(duì)間隙過(guò)小易產(chǎn)生未焊透；鈍邊過(guò)小，組對(duì)間隙過(guò)大極易燒穿；又保證了GTAW打底焊操作空間，保證了質(zhì)量，同時(shí)收縮型坡口減少了熔敷金屬數(shù)量，減少了敏化溫度的影響及H₂和H₂S的腐蝕。

2.3焊接工藝的選擇

2.3.1焊接方法的選擇實(shí)踐證明，采用GTAW+SMAW相結(jié)合的焊接方法，進(jìn)行焊件背面充氬保護(hù)，既避免焊縫氧化，又很好的保證了焊縫成型，減少內(nèi)部缺陷的出現(xiàn)。

2.3.2焊接材料的選用焊材、藥皮的成份含量，是決定焊縫組織和性能的直接因素。選用焊接材料時(shí)，適當(dāng)在焊材中加有除鉻外的鉬、鈮等元素，使焊縫金屬具有奧氏體一鐵素體的雙相組織，以提高焊縫的抗晶間腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕能力；適當(dāng)在焊材中加入比鉻更容易與碳結(jié)合的穩(wěn)定化元素，如鈦、鈮、鉭等，使其首先與碳生成碳化物，減小鋼材中鉻與碳生成碳化鉻，消除晶界的貧鉻區(qū)，改善產(chǎn)生晶間腐蝕傾向；選擇超低碳不銹鋼焊材，同時(shí)選用超低碳或無(wú)碳的堿性低氫焊材藥皮，降低碳在焊縫熔敷金屬中的含量，減小形成碳化鉻的幾率，因而提高焊縫的抗晶間腐蝕能力?；谏鲜鲈瓌t，同樣以海南煉化RDS裝置加氫反應(yīng)器出入口管線焊接為例，焊絲選用了美國(guó)產(chǎn)的ER347，焊條選用E347-15，取得了很好的效果。

2.3.3焊道層次選擇在滿足加工效率的同時(shí)，需要充分考慮焊接的層次，減少每層、道焊縫中的溶解金屬，減少熱輸入，降低其在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間。同樣以海南煉化RDS裝置加氫反應(yīng)器出入口管線焊接為例，選用焊接的層次為：GTAW焊接1層；SMAW焊接2—9層；根據(jù)管材壁厚的不同，選擇的焊接道數(shù)在焊接層數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.3.4焊接工藝參數(shù)的選擇提高焊縫的冷卻速度，降低焊接熔池的熱輸入，是選擇焊接工藝參數(shù)的原則，根據(jù)分別選用的不同組合的工藝參數(shù)的試驗(yàn)，驗(yàn)證TP321在以下工藝參數(shù)條件下，取得了理想的效果。

2.4焊縫穩(wěn)定化熱處理RDS裝置的H₂及H₂S腐蝕是管道、設(shè)備系統(tǒng)材料最嚴(yán)重的腐蝕類型，因?yàn)榕R氫管道中Fe₃C+2H₂→CH₄+3Fe反應(yīng)的存在所致。目前奧氏體不銹鋼材料均是在930℃～1050℃溫度區(qū)域固溶處理狀態(tài)供貨。鋼中的碳首先與鈦、鈮等形成了穩(wěn)定的碳化物，占用了較多的C，大大降低了鋼中過(guò)飽和碳原子的濃度。

根據(jù)鋼材的敏化現(xiàn)象，制定焊縫的穩(wěn)定化熱處理曲線如下：

焊縫穩(wěn)定化熱處理采用電加熱智能化溫控的方式，根據(jù)焊口的大小設(shè)置熱電耦數(shù)量，嚴(yán)格設(shè)置升溫曲線，控制升溫速度。在O～400℃范圍內(nèi)，以≤120℃/h的速度，進(jìn)行應(yīng)力消除；在400～900±10℃范圍內(nèi)，隨施工現(xiàn)場(chǎng)情況，提高升溫速度，盡量減少升溫時(shí)間，以減少焊縫在敏化溫度區(qū)間停留的時(shí)間；在900±10℃溫度范圍內(nèi)，恒溫≥2h，并隨管道壁厚的增加而增加，增加數(shù)量為4.7分鐘/mm；恒溫結(jié)束后，即刻進(jìn)行空氣冷卻。

經(jīng)過(guò)對(duì)焊縫穩(wěn)定化熱處理前后其晶相組織的對(duì)比分析，證明達(dá)到了預(yù)期的效果。

3結(jié)束語(yǔ)

在海南煉油化工有限公司具有全球最大的渣油加氫脫硫裝置的施工中，針對(duì)裝置高溫、高壓、臨氫管道的H₂及H₂S腐蝕特點(diǎn)，認(rèn)真查閱相關(guān)資料，經(jīng)過(guò)相關(guān)試驗(yàn)，在工藝操作條件、設(shè)計(jì)等既定的條件下總結(jié)摸索出的不銹鋼現(xiàn)場(chǎng)加工方法，很好的滿足了在此特殊、惡劣的操作環(huán)境下對(duì)安裝焊接接頭的需求。為具有廣闊前景的RDS裝置的現(xiàn)場(chǎng)加工積累了經(jīng)驗(yàn)，并取得了非常好的成效。