當(dāng)今社會生活中，環(huán)境污染和污水處理日益引起國家和民眾的重視。作為大型的石油化工企業(yè)，廠區(qū)內(nèi)的污水處理是很重要的一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。烏魯木齊石化公司凈化水廠負(fù)責(zé)全廠的生產(chǎn)、生活污水處理， 而濕式氧化反應(yīng)器（R-101）是凈化水廠的關(guān)鍵設(shè)備。在對凈化水廠的重點(diǎn)設(shè)備濕式氧化反應(yīng)器進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)外壁上部縱、環(huán)焊縫存在大量裂紋。根據(jù)容器的材料和所處的腐蝕環(huán)境，分析了裂紋產(chǎn)生的原因，主要是由于熱裂紋、晶間腐蝕和保溫層下腐蝕，并從焊接材料、焊接工藝、焊接過程中應(yīng)注意的問題、焊后處理和保溫材料等方面采取了控制和預(yù)防措施，并對該容器進(jìn)行了修復(fù)，確保了設(shè)備的安全有效運(yùn)行。

   檢驗(yàn)情況

    烏魯木齊石化公司凈化水廠負(fù)責(zé)整個(gè)烏石化公司的生產(chǎn)、生活污水處理，該設(shè)備如果不能正常投用，則對全廠的污水處理能力造成嚴(yán)重影響。我們檢驗(yàn)單位對凈化水廠的濕式氧化反應(yīng)器（位號：R-101）進(jìn)行了定期檢驗(yàn)，該容器于2007 年6 月制造， Ⅱ類壓力容器，材質(zhì)為0Cr18Ni12Mo2Ti，厚度為15mm，介質(zhì)為廢堿液，保溫材料是復(fù)合硅酸鹽。檢驗(yàn)的具體情況如下：

    按照檢驗(yàn)方案，先期進(jìn)行定期檢驗(yàn)包括的檢測項(xiàng)目有：宏觀、測厚、滲透探傷和安全附件檢查。宏觀檢查和測厚結(jié)果均未見異常。經(jīng)PT 抽測，發(fā)現(xiàn)外壁上部縱、環(huán)焊縫存在多處裂紋，且多條裂紋的長度竟然大于1 米。根據(jù)現(xiàn)場檢驗(yàn)的情況，提出建議： 對該容器所有的環(huán)、縱焊縫進(jìn)行PT 擴(kuò)檢。車間對該容器的外保溫進(jìn)行全面拆除后，我單位再次進(jìn)行了滲透探傷檢測工作。對外部焊縫進(jìn)行100% 滲透檢測，發(fā)現(xiàn)外壁上部縱、環(huán)焊縫存在大量裂紋，最長的長度為整圈環(huán)焊縫。缺陷分布的部位和形貌見圖1、3、4。
 

圖1 縱焊縫肉眼可見的裂紋



圖2 裂紋的金相組織形貌



圖3 焊縫滲透檢測發(fā)現(xiàn)的裂紋



圖4 焊縫滲透檢測發(fā)現(xiàn)的裂紋
 

      對裂紋部位進(jìn)一步進(jìn)行金相檢驗(yàn)，采用3% 的硝酸溶液進(jìn)行侵蝕， 用顯微鏡進(jìn)行觀察，金相檢驗(yàn)組織為孿晶奧氏體，裂紋微觀形態(tài)為穿晶裂紋并伴隨有沿晶裂紋（具體形貌見圖2）?？梢源_定為應(yīng)力腐蝕開裂。裂紋在筒體分布的部位如下：
 

裂紋在筒體分布的部位
 

  裂紋形成原因分析

   熱裂紋

   焊接奧氏體不銹鋼時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)會產(chǎn)生裂紋，而且主要是熱裂紋、其原因?yàn)椋?/p>

   1、奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小和線膨脹系數(shù)大，其熱膨脹系數(shù)大約是低碳鋼的1.35 倍，在焊接局部加熱和冷卻的條件下， 焊接接頭在冷卻過程中可形成較大拉應(yīng)力， 拉應(yīng)力會使奧氏體不銹鋼在焊接時(shí)出現(xiàn)較大的熱裂敏感性，形成初始的微裂紋。

   2、奧氏體鋼焊縫易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶組織，促進(jìn)了有害雜質(zhì)偏析，易形成晶間液態(tài)夾層，增大熱裂傾向。

   3、在含鎳很高的奧氏體不銹鋼中，不僅硫、磷、錫、銻等雜質(zhì)可形成易熔夾層， 而且一些合金組元，如硅、硼、鈮等，因溶解度有限也易產(chǎn)生偏析，形成易熔夾層， 增大了熱裂傾問。

     晶間腐蝕

    由于奧氏體不銹鋼的耐腐蝕成分主要是Cr， 焊縫若在450 ℃ ～ 850 ℃ 溫度區(qū)間停留，或在焊接熱循環(huán)下，加熱至450℃～ 850℃的熱影響區(qū)內(nèi)，焊接時(shí)電弧產(chǎn)生的高溫會使得焊縫附近的Cr 容易和C 元素在晶間形成碳化鉻（Cr23C6）的化合物沉淀，造成晶界附近的含鉻量急劇減少， 形成貧鉻區(qū)，降低了不銹鋼的耐腐蝕性（即沿晶粒邊界發(fā)生腐蝕）。晶間腐蝕的特點(diǎn)： 外觀仍有金屬光澤， 但與晶粒已失去聯(lián)系， 敲擊時(shí)失去金屬聲音、鋼質(zhì)變脆。一般認(rèn)為650℃為晶間腐蝕的敏感溫度，奧氏體鋼焊縫或熱影響區(qū)，只要在這個(gè)溫度停留十幾秒到幾分鐘，就會產(chǎn)生晶間腐蝕。預(yù)防晶間腐蝕的有效手段是固溶處理，然而，在裝置的安裝現(xiàn)場，對容器焊縫進(jìn)行固溶處理的難度很大。所以，現(xiàn)場基本不對焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理工作，這就使焊縫區(qū)域殘存了很大的焊接應(yīng)力，在有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境和應(yīng)力的聯(lián)合作用下優(yōu)先腐蝕， 從而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂。

    保溫層下腐蝕

    引起保溫層下腐蝕的原因：

    1、保溫層材料具有很大的表面積和豐富的毛細(xì)管，具有很強(qiáng)的吸水能力，一旦保溫層結(jié)構(gòu)不完善或損壞，導(dǎo)致雨水侵入， 就會使設(shè)備金屬表面形成水膜而發(fā)生腐蝕。

    2、保溫材料大多是由礦物質(zhì)加工而成， 含有大量的無機(jī)鹽，以及氯化物、氟化物、硫化物等有害成分。保溫材料中含有的這些腐蝕介質(zhì)，加速了水對金屬表面的均勻腐蝕。特別是保溫材料中含有的或在使用中侵入的氯化物、氟化物及硫化物等腐蝕性成分，不僅加速了均勻腐蝕，也會引起局部腐蝕，乃至應(yīng)力腐蝕開裂。

    3、大氣的存在

   腐蝕介質(zhì)和保溫材料吸收水分形成的電解質(zhì)溶液，為金屬的電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了必要條件。由于保溫材料的覆蓋率程度不同，在保溫層的完好處的氧供給困難，形成缺氧區(qū)，而保溫材料破損的部位氧的供給充足，這樣兩個(gè)靠近的區(qū)域形成了氧濃差電池，構(gòu)成了電化學(xué)腐蝕。

   4、奧氏體不銹鋼則多為外應(yīng)力腐蝕開裂和點(diǎn)蝕。

   復(fù)合硅酸鹽和超細(xì)玻璃棉離子含量最高，不能用于奧氏體不銹鋼管道或設(shè)備的保溫，該容器的保溫層正是采用了復(fù)合硅酸鹽，易發(fā)生外應(yīng)力腐蝕開裂。

  防止裂紋產(chǎn)生的措施

   正確選擇焊接材料

   根據(jù)奧氏體不銹鋼焊接的主要問題、無論手工電弧焊、埋弧焊熔化極或非熔化極氬弧焊接時(shí)，都必須首先從焊接材料（主要焊條、焊絲）上選擇，盡量消除或減弱由于下述三方面問題的影響：

    1、選用超低碳焊絲（焊條）

    因?yàn)楹缚p含碳量越高，晶間腐蝕傾向越大，所以，盡量降低焊縫金屬的含碳量， 是提高焊縫耐晶間腐蝕能力的一個(gè)途徑。當(dāng)奧氏體中溶解的碳小于等于0.03％時(shí)不會析出碳化鉻，所以一般把焊絲中含碳量小于等于0.04％，定為超低碳焊絲的標(biāo)準(zhǔn)。采用超低碳焊絲，這樣由碳化鉻析出而引起的貧鉻問題得到了控制，自然就提高了焊縫抗晶間腐蝕的能力。

    2、在焊絲（焊條）中加入穩(wěn)定化元素

    由于鈦（Ti）、鈮（Nb）等親碳能力強(qiáng)，因而，在焊絲中添加這些元素后，在450℃～ 850℃加熱時(shí)，奧氏體不銹鋼中的碳，將優(yōu)先與鈦、鈮形成化合物，避免了碳與鉻形成化合物而引起晶界處奧氏體局部貧鉻的問題，從而保證了焊縫的晶間腐蝕能力。鈦的加入量與含碳量有關(guān)，一般應(yīng)符合Ti ／（C-0.02）＞ 8.5 ～ 9.5 的關(guān)系。

    3、使焊縫獲得雙相組織

    合金元素對金屬組織的影響可分兩大類：一類是奧氏體促進(jìn)元素，如鎳、氮、銅、鈷、碳、錳等；另一類是鐵素體促進(jìn)元素， 如鉻、鉬、釩、硅、鈦、鈮等。因而，在奧氏體不銹鋼焊材中加入適量鐵素體促進(jìn)元素，可獲得奧氏體十鐵素體的雙相組織。用雙相組織可以提高焊縫耐晶間腐蝕能力， 可以提高焊縫的抗熱裂能力，少量的鐵素體可以細(xì)化晶粒，打亂柱狀晶體的方向和防止雜質(zhì)的聚集。另外，鐵素體還比奧氏體能溶解更多的雜質(zhì)、從而可以減少偏析， 這些都對抗熱裂能力有利。

    4、控制硫、磷含量。選用硫、磷含量低的焊接材料，嚴(yán)格控制焊縫中硫、磷含量不應(yīng)高出母材的硫、磷含量。

    5、降低含硅量，適當(dāng)增加錳、鉬含量。

    優(yōu)化焊接工藝

    1、控制焊接加熱溫度和時(shí)間，加快焊縫的冷卻速度。

    加熱溫度和時(shí)間對奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響，產(chǎn)生晶間腐蝕的敏化溫度區(qū)在450℃～ 850℃之間。當(dāng)加熱溫度低于450℃時(shí)，無法生成碳化鉻，當(dāng)加熱溫度高于850℃時(shí)，鉻在晶粒內(nèi)的擴(kuò)散能力增強(qiáng)， 不會在晶界形成貧鉻區(qū)。因此不銹鋼焊接接頭在“危險(xiǎn)溫度區(qū)”停留的時(shí)間越短越好。新焊接時(shí)電流不易過大，焊接速度要快， 焊接后應(yīng)迅速冷卻，可以采取在焊件背面澆水進(jìn)行快速冷卻。（由于奧氏體不銹鋼冷卻過程中沒有馬氏體轉(zhuǎn)變，所以快速冷卻不會出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象。）

    2、采用小的線能量

    在相同的焊接條件下，焊接電流應(yīng)比普通碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼小10％～ 20％。

    3、采取拖焊法，焊條不準(zhǔn)作橫向擺動

     焊接要注意的其它問題

     1、避免飛濺

     2、禁止隨便到處亂打弧

     3、焊縫表面應(yīng)光潔，無凹凸不平現(xiàn)象， 殘?jiān)鼜氐壮齼?/p>

     4、接觸腐蝕介質(zhì)的焊縫根部，禁止預(yù)留墊板或鎖邊，要保證焊透

     5、焊接電纜卡頭在工件上要卡緊，以免發(fā)生打弧或過燒現(xiàn)象

     6、接觸介質(zhì)的焊縫應(yīng)在最后焊接

     7、焊縫交接處要錯(cuò)開

     8、有可能時(shí)接頭背面（焊管子時(shí)為內(nèi)壁）也要加氬氣保護(hù)，以保證背面成形并防止氧化

     焊后處理

     1、固溶（或奧氏體化）處理

    將焊接接頭加熱到1050℃～ 1100℃， 因?yàn)?，在這個(gè)溫度下析出的碳又重新溶入奧氏體中，然后急冷便得到了穩(wěn)定的奧氏體組織。經(jīng)過這種處理后，如果焊接接頭仍在危險(xiǎn)溫度區(qū)間工作，碳仍會析出形成貧鉻層而產(chǎn)生晶間腐蝕。

    2、均勻化處理（或稱穩(wěn)定化退火處理） 將焊接接頭加熱至850℃～ 900℃，保溫一定時(shí)間，使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻，有充分時(shí)間擴(kuò)散到晶界，使晶界處的含鉻量又恢復(fù)到大于臨界值（12％），從而避免產(chǎn)生晶間腐蝕。

    選擇合適的保溫材料

    復(fù)合硅酸鹽和超細(xì)玻璃棉離子含量最高，不能用于奧氏體不銹鋼管道或設(shè)備的保溫；而硅酸鋁纖維則最低，最適合用于奧氏體不銹鋼設(shè)備的保溫。

   對容器進(jìn)行修復(fù)處理

    對該容器檢驗(yàn)出的裂紋進(jìn)行打磨，消缺，由我單位檢驗(yàn)人員進(jìn)行滲透探傷復(fù)檢， 確認(rèn)缺陷消除后，打磨深度約為5mm。施工單位嚴(yán)格按照修復(fù)焊接方案對打磨部位經(jīng)補(bǔ)焊后，滲透探傷復(fù)檢合格，對其補(bǔ)焊部位進(jìn)行射線探傷抽檢，級別為Ⅰ級，在內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)缺陷，抽檢合格。同時(shí)對使用單位提出更換保溫材料的建議。

責(zé)任編輯：班英飛

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-801
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414