16MnR(HIC)鋼在役設(shè)備焊縫缺陷修復(fù)過程研究

柳軍 郭太平 喬凱

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

收稿日期：2021-08-26

石油煉化行業(yè)使用的壓力容器屬于特種設(shè)備，為保證生產(chǎn)安全運行，每間隔一定周期就必須按規(guī)定進(jìn)行檢查，需對影響設(shè)備安全的問題全部解決后才能投入后續(xù)的使用之中。本文主要針對16MnR(HIC)鋼在役設(shè)備檢查出焊縫缺陷的修復(fù)過程進(jìn)行研究，確定出有效的修復(fù)方案并成功修復(fù)了設(shè)備。

1 母材16MnR(HIC)鋼產(chǎn)生背景

近些年，隨著國內(nèi)石化行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的富含高濃度H2S氣田得到勘探、開發(fā)利用?；跐舛容^高H2S的存在，導(dǎo)致越來越多的石化容器設(shè)備焊縫滲氫產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重制約并影響設(shè)備的使用周期和安全性能。從根本上解決H2S引起焊縫開裂，一直是國內(nèi)外研究的重要課題，經(jīng)過國內(nèi)知名設(shè)計院多年技術(shù)開發(fā)，性能測試合格且抗氫誘導(dǎo)裂紋的低合金鋼16MnR(HIC)應(yīng)運而生。

2 氫致誘導(dǎo)裂紋(HIC)產(chǎn)生機(jī)理

“HIC”英文全稱：Hydrogen Included Cracking，中文譯為“氫致誘導(dǎo)裂紋”。H2S在水中會產(chǎn)生嚴(yán)重的電離分解反應(yīng)：

第一步：H2S→H++HS-

第二步：HS-→H++S2-

在H+、S-、HS-、H2O共同環(huán)境下，容易對金屬中的氫元素產(chǎn)生極化過程：

陽極反應(yīng)：Fe→2e+Fe2+

Fe2++S2-→FeS

陰極反應(yīng)：2H++2e→H2↑

H2S與金屬的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致氫原子不斷的產(chǎn)生，同時H2S又抑制氫原子結(jié)合形成氫分子，因此當(dāng)富集起來的氫原子不斷向金屬中擴(kuò)散、滲透時，遇到金屬晶格錯位、空隙和非金屬夾雜物處就會聚積，重新結(jié)合形成氫氣，容易導(dǎo)致鋼材變脆產(chǎn)生微裂紋，隨著時間的累積和應(yīng)力的不斷增加，微裂紋逐漸寬展，形成宏觀裂紋，因此將H2S與金屬反應(yīng)產(chǎn)生H2而引起的裂紋，就被稱作氫致誘導(dǎo)裂紋，簡稱“HIC”。

3 16MnR(HIC)鋼焊接性分析

金屬材料的焊接性是指金屬材料是否能適應(yīng)焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接頭的特性，具體體現(xiàn)為工藝焊接性和使用焊接性。

我公司承制的某公司壓力容器，主體材料為16MnR(HIC)鋼，鋼板厚度130 mm，采用電爐+LF/VD真空精煉工藝冶煉，冶煉過程進(jìn)行鈣化處理，成為本質(zhì)細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼，晶粒度≥6.0級或更細(xì)。對原材料鋼板進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。

表1 16MnR(HIC)鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 16MnR(HIC) steel plate (mass fraction, %)

該材料交貨狀態(tài)為正火狀態(tài)，材料中含有少量的合金元素，淬硬性比低碳鋼稍微大一些，屈服強度≥260 MPa，抗拉強度在485～620 MPa之間，-20℃低溫沖擊吸收能量為161 J、110 J、134 J，碳當(dāng)量CE≤0.48%，因此該金屬材料焊接性良好。

4 焊縫修復(fù)過程控制

16MnR(HIC)鋼焊縫在超高濃度H2S濕潤環(huán)境服役，隨著在役時間的延長及工況的惡化，某項目大型反應(yīng)器在停工UT檢查時，發(fā)現(xiàn)存在不同程度的線性超標(biāo)缺陷，經(jīng)過取試論證、TOFD復(fù)驗，確認(rèn)存在安全隱患的氫致誘導(dǎo)裂紋缺陷。

16MnR(HIC)鋼材料本身焊接性良好，但是該設(shè)備壁厚為130 mm，單條焊縫長度達(dá)2700 mm。該設(shè)備屬于高壓密閉容器，內(nèi)部介質(zhì)為以H2S為主的混合氣體。H2S是一種無色無味的氣體，低濃度時具有臭雞蛋味，是一種劇毒氣體，遇水易形成H2SO4。

從本質(zhì)上分析，焊接接頭的形成必然經(jīng)歷焊接熱過程、固-液狀態(tài)演變過程、焊接化學(xué)冶金過程和固態(tài)相變過程。從過程控制方面分析，又可分為焊前過程控制、焊接中過程控制、焊后過程控制。

根據(jù)無損檢驗結(jié)果分析，編制對應(yīng)的主要修復(fù)工藝流程如下：

方案編制、審批→物資籌備、生產(chǎn)計劃安排→設(shè)備消氫處理→缺陷復(fù)探定位→缺陷清除(碳弧氣刨、砂輪機(jī))→磁粉檢測(直至缺陷消除)→缺陷修補(焊縫整體置換)→MT、UT、TOFD檢測→局部熱處理→MT、UT檢測→焊接接頭硬度檢測→相控陣檢測→聲發(fā)射檢測。

4.1 修復(fù)前的過程控制

焊縫修復(fù)前，采取內(nèi)燃法對設(shè)備進(jìn)行整體消氫，溫度控制(300～350)℃×4 h，目的在于降低焊縫中的擴(kuò)散氫濃度。

清理該設(shè)備內(nèi)部廢氣，不允許有影響焊接接頭取試及后期焊接的隱患存在。備好有限空間作業(yè)的安全防護(hù)用具，用戶提前檢測設(shè)備內(nèi)部H2S等有毒有害氣體含量，并做好風(fēng)險評估，確認(rèn)是否超標(biāo)。

提前接好臨時電源，準(zhǔn)備好碳弧氣刨、打磨工具、焊條電弧焊機(jī)、熱處理設(shè)備、風(fēng)機(jī)等工具。安排專人對焊條進(jìn)行保管、烘干和發(fā)放，搬運過程中要輕拿輕放，防止包裝損壞，焊條啟封后，應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行表面宏觀檢查，如有銹蝕現(xiàn)象應(yīng)禁止使用，焊條使用前，應(yīng)按要求進(jìn)行烘干，嚴(yán)禁突然將冷焊條放入高溫烘箱內(nèi)或突然冷卻，以免藥皮開裂。

修復(fù)部位殼體外側(cè)采用天然氣對缺陷部位及周邊200 mm預(yù)熱≥100℃。筒體外側(cè)加熱，內(nèi)側(cè)測溫，受熱均勻。

氣刨前，必須了解所刨缺陷的具體情況，采用碳弧氣刨清除缺陷，從缺陷兩端各延長20 mm處開始，向中間的方向清除缺陷，在氣刨過程中要注意觀察缺陷是否完全清除掉，氣刨的刨槽兩端過渡要平緩，以利于多層焊接時的端部質(zhì)量。碳弧氣刨之后采用砂輪打磨去除滲碳層見金屬光澤，并保證底部圓滑以及兩側(cè)與周邊母材圓滑過渡。缺陷氣刨后坡口形式如圖1所示，坡口制備完成后進(jìn)行100%MT檢測合格(或100%PT檢測合格)。

圖1 坡口示意圖Figure 1 Schematic diagram of groove

4.2 修復(fù)中過程控制

根據(jù)設(shè)備母材的化學(xué)成分、力學(xué)性能及相關(guān)技術(shù)文件要求進(jìn)行了工藝評定，并編制對應(yīng)的焊接工藝卡(WPS)，焊接材料的化學(xué)成分見表2，力學(xué)性能見表3，焊接工藝參數(shù)見表4。

表2 焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of welding material (mass fraction, %)

表3 焊材的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of welding materials

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 welding process parameters

焊接前必須進(jìn)行預(yù)熱，并設(shè)專人負(fù)責(zé)管理，在返修部位殼體上采用天然氣或電加熱對缺陷部位及周邊200 mm預(yù)熱≥150℃，要求受熱均勻。每間隔1 h測溫1次，確保預(yù)熱溫度滿足要求，并做好記錄。

根據(jù)合格的焊接工藝評定制定焊接工藝卡，嚴(yán)格按工藝卡規(guī)定的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度≤250℃。采用焊條電弧焊對缺陷部位進(jìn)行補焊，焊條必須保證按要求烘干，隨取隨用。補焊時注意層間清理，前一層清理干凈后方可進(jìn)行下一層的補焊。操作過程中及時準(zhǔn)確地測量記錄焊接工藝參數(shù)，使所有實際焊接參數(shù)符合工藝文件的規(guī)定。

4.3 修復(fù)后過程控制

(1)焊接完成后立即采用遠(yuǎn)紅外電加熱方式進(jìn)行焊后熱處理，內(nèi)外側(cè)均需鋪設(shè)加熱板，熱處理工藝見圖2，加熱板及布偶位置見圖3。

圖2 熱處理工藝Figure 2 Heat treatment process

圖3 加熱板及布偶位置Figure 3 Location of heating plate and thermocouple

5 焊接檢驗

焊后檢驗是判斷焊縫是否合格的唯一標(biāo)準(zhǔn)，也是必不可少的環(huán)節(jié)。熱處理后對焊縫進(jìn)行100%MT、UT、TOFD檢測，以及硬度檢測，合格后整體進(jìn)行水壓試驗。修復(fù)的焊縫各項檢測、試驗均一次合格，達(dá)到目標(biāo)要求。

6 結(jié)束語

(1)修復(fù)前，采用內(nèi)燃法這一關(guān)鍵措施對在役設(shè)備進(jìn)行整體(300～350)℃×4 h消氫處理，減少16MnR(HIC)鋼材料在H2S環(huán)境下焊接接頭中殘余擴(kuò)散氫的濃度。

(2)修復(fù)中，設(shè)備內(nèi)、外壁側(cè)運用電加熱方式對焊接接頭進(jìn)行保溫和控溫，使焊接接頭整體受熱均勻，防止出現(xiàn)較大的溫度差，產(chǎn)生熱應(yīng)力不平衡現(xiàn)象。

(3)修復(fù)后，保持控溫溫度，繼續(xù)升溫至600～620℃，保溫3～4 h進(jìn)行焊接接頭消除應(yīng)力熱處理，減小焊接接頭的應(yīng)力集中。

上述工藝方案的制定科學(xué)合理，修復(fù)后焊接接頭各項無損檢測要求合格，滿足產(chǎn)品的使用要求，可為后續(xù)類似材料的焊縫修復(fù)提供技術(shù)借鑒。