當今社會生活中，環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，廠區內的污水處理是很重要的一個生產環節。為確保設備的安全有效運行，需要對重點設備濕式氧化反應器進行定期檢，并采取相應的控制和預防措施。

 

    文| 趙偉麗 中國石油烏魯木齊石化公司

 

       當今社會生活中，環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，廠區內的污水處理是很重要的一個生產環節。烏魯木齊石化公司凈化水廠負責全廠的生產、生活污水處理， 而濕式氧化反應器（R-101）是凈化水廠的關鍵設備。在對凈化水廠的重點設備濕式氧化反應器進行定期檢驗時，發現外壁上部縱、環焊縫存在大量裂紋。根據容器的材料和所處的腐蝕環境，分析了裂紋產生的原因，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、焊接過程中應注意的問題、焊后處理和保溫材料等方面采取了控制和預防措施，并對該容器進行了修復，確保了設備的安全有效運行。

 

     檢驗情況

 

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

 

       按照檢驗方案，先期進行定期檢驗包括的檢測項目有：宏觀、測厚、滲透探傷和安全附件檢查。宏觀檢查和測厚結果均未見異常。經PT 抽測，發現外壁上部縱、環焊縫存在多處裂紋，且多條裂紋的長度竟然大于1 米。根據現場檢驗的情況，提出建議： 對該容器所有的環、縱焊縫進行PT 擴檢。車間對該容器的外保溫進行全面拆除后，我單位再次進行了滲透探傷檢測工作。對外部焊縫進行100% 滲透檢測，發現外壁上部縱、環焊縫存在大量裂紋，最長的長度為整圈環焊縫。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 焊縫滲透檢測發現的裂紋



圖4 焊縫滲透檢測發現的裂紋
 

       對裂紋部位進一步進行金相檢驗，采用3% 的硝酸溶液進行侵蝕， 用顯微鏡進行觀察，金相檢驗組織為孿晶奧氏體，裂紋微觀形態為穿晶裂紋并伴隨有沿晶裂紋（具體形貌見圖2）。可以確定為應力腐蝕開裂。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，焊縫和熱影響區會產生裂紋，而且主要是熱裂紋、其原因為：

 

      1、奧氏體不銹鋼的導熱系數小和線膨脹系數大，其熱膨脹系數大約是低碳鋼的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力， 拉應力會使奧氏體不銹鋼在焊接時出現較大的熱裂敏感性，形成初始的微裂紋。

 

       2、奧氏體鋼焊縫易形成方向性強的柱狀晶組織，促進了有害雜質偏析，易形成晶間液態夾層，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 ℃ 溫度區間停留，或在焊接熱循環下，加熱至450℃～ 850℃的熱影響區內，焊接時電弧產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，降低了不銹鋼的耐腐蝕性（即沿晶粒邊界發生腐蝕）。晶間腐蝕的特點： 外觀仍有金屬光澤， 但與晶粒已失去聯系， 敲擊時失去金屬聲音、鋼質變脆。一般認為650℃為晶間腐蝕的敏感溫度，奧氏體鋼焊縫或熱影響區，只要在這個溫度停留十幾秒到幾分鐘，就會產生晶間腐蝕。預防晶間腐蝕的有效手段是固溶處理，然而，在裝置的安裝現場，對容器焊縫進行固溶處理的難度很大。所以，現場基本不對焊縫進行消除應力的熱處理工作，這就使焊縫區域殘存了很大的焊接應力，在有腐蝕介質的環境和應力的聯合作用下優先腐蝕， 從而導致應力腐蝕開裂。

 

       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管，具有很強的吸水能力，一旦保溫層結構不完善或損壞，導致雨水侵入， 就會使設備金屬表面形成水膜而發生腐蝕。

 

        2、保溫材料大多是由礦物質加工而成， 含有大量的無機鹽，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，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，乃至應力腐蝕開裂。

 

        3、大氣的存在

 

        腐蝕介質和保溫材料吸收水分形成的電解質溶液，為金屬的電化學腐蝕創造了必要條件。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，而保溫材料破損的部位氧的供給充足，這樣兩個靠近的區域形成了氧濃差電池，構成了電化學腐蝕。

 

       4、奧氏體不銹鋼則多為外應力腐蝕開裂和點蝕。

 

       復合硅酸鹽和超細玻璃棉離子含量最高，不能用于奧氏體不銹鋼管道或設備的保溫，該容器的保溫層正是采用了復合硅酸鹽，易發生外應力腐蝕開裂。

 

     防止裂紋產生的措施

 

       正確選擇焊接材料

 

       根據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，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）

 

       因為焊縫含碳量越高，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途徑。當奧氏體中溶解的碳小于等于0.03％時不會析出碳化鉻，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準。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）中加入穩定化元素

 

       由于鈦（Ti）、鈮（Nb）等親碳能力強，因而，在焊絲中添加這些元素后，在450℃～ 850℃加熱時，奧氏體不銹鋼中的碳，將優先與鈦、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，一般應符合Ti ／（C-0.02）＞ 8.5 ～ 9.5 的關系。

 

       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：一類是奧氏體促進元素，如鎳、氮、銅、鈷、碳、錳等；另一類是鐵素體促進元素， 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化晶粒，打亂柱狀晶體的方向和防止雜質的聚集。另外，鐵素體還比奧氏體能溶解更多的雜質、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，嚴格控制焊縫中硫、磷含量不應高出母材的硫、磷含量。

 

       5、降低含硅量，適當增加錳、鉬含量。

 

       優化焊接工藝

 

       1、控制焊接加熱溫度和時間，加快焊縫的冷卻速度。

 

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

 

       2、采用小的線能量

 

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

 

       3、采取拖焊法，焊條不準作橫向擺動

 

       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、焊縫表面應光潔，無凹凸不平現象， 殘渣徹底除凈

 

       4、接觸腐蝕介質的焊縫根部，禁止預留墊板或鎖邊，要保證焊透

 

       5、焊接電纜卡頭在工件上要卡緊，以免發生打弧或過燒現象

 

       6、接觸介質的焊縫應在最后焊接

 

       7、焊縫交接處要錯開

 

       8、有可能時接頭背面（焊管子時為內壁）也要加氬氣保護，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℃， 因為，在這個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定的奧氏體組織。經過這種處理后，如果焊接接頭仍在危險溫度區間工作，碳仍會析出形成貧鉻層而產生晶間腐蝕。

 

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

 

       選擇合適的保溫材料

 

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

 

      對容器進行修復處理

 

       對該容器檢驗出的裂紋進行打磨，消缺，由我單位檢驗人員進行滲透探傷復檢， 確認缺陷消除后，打磨深度約為5mm。施工單位嚴格按照修復焊接方案對打磨部位經補焊后，滲透探傷復檢合格，對其補焊部位進行射線探傷抽檢，級別為Ⅰ級，在內表面未發現缺陷，抽檢合格。同時對使用單位提出更換保溫材料的建議。