加氫反應器中不銹鋼堆焊層鐵素體含量的測定

毛明志（廣西區特種設備監督檢驗院 廣西 530001）

引言

石油化工方面所使用的壓力容器及容器配件，多是不銹鋼焊接或不銹鋼復層、堆焊制成。這樣焊接裂紋，耐腐蝕性和熔敷金屬的脆化性就影響著產品使用性能和壽命。通常情況下，裝載不同介質的容器的不銹鋼堆焊層要求控制不同的鐵素體含量。從抗腐蝕性能來說，一般介質中鐵素體含量在8%為適宜，另外從機械性能的角度來說，特別在高溫下工作的焊縫，以小于5%為宜，否則將產生不銹鋼內部組織的脆化，致使產品的出現焊縫開裂等問題。加氫工藝主要分為加氫精制、加氫脫硫和加氫裂化等幾種，采用這些工藝的主要目的是改變油品性質、降低油品中的硫含量以及調整產品結構等。煉油廠中的加氫反應器中不銹鋼堆焊層是反應器抗腐蝕中重要的一個工藝，由于加氫裝置操作溫度為300-500℃操作壓力為8-18MPa，而介質中的氫氣分壓很高，并且伴隨有H2S腐蝕，因此，不銹鋼堆焊層對于加氫反應器來說有尤為重要。

一、奧氏體不銹鋼相與鐵素體相

奧氏體不銹鋼與鐵素體相奧氏體相是碳溶于α-Fe中所形成的面心立方晶體間隙固體，其塑性很好，強度較低，具有一定韌性。鐵素體相是碳溶于α-Fe的體心立方晶格間隙固溶體，相對于奧氏體相，鐵素體相強度較高，塑韌性較低。奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有穩定奧氏體相的不銹鋼，主要含Cr，Ni，c元素。

奧氏體不銹鋼具有高韌性和塑性、較好的耐腐蝕性能和加工性能，因此在加氫反應器中得到大量的使用。如果奧氏體不銹鋼中各種合金元素成分控制合適，且經過固溶熱處理，基本上可以獲得單一的奧氏體相。但實際產品中，由于鐵素體相穩定化元素(如Cr)的作用，或奧氏體相形成元素(如Ni)的含量不夠高，同時受加工工藝的影響，則常溫下主要是奧氏體相，另一小部分則是鐵素體相，即在奧氏體不銹鋼組織中仍會存在一定數量的鐵素體相。鐵素體相的含量主要取決于奧氏體不銹鋼的化學成分，特別是Cr、Ni當量的影響，同時氮(N)也是奧氏體不銹鋼組織鐵素體含量的重要影響元素。

在凝固結晶過程中生成并保留至常溫的鐵素體相的形態及數量會顯著影響到奧氏體不銹鋼組織的各種性能 (如力學性能、熱加工性能、焊接性能等)。其中有利的影響有：鐵素體相的增加提高奧氏體不銹鋼的強度；減小奧氏體不銹鋼焊接產生熱裂紋的傾向；強化鑄造奧氏體不銹鋼等。不利的影響有：鐵素體相的增加降低奧氏體不銹鋼的延塑性、增大奧氏體不銹鋼鍛件熱加工裂紋產生傾向、使其耐點蝕性能下降、鐵素體相在高溫下長時間加熱會轉變為σ相使鋼變脆等[1]。

二、不銹鋼堆焊層中鐵素體的控制

CrMo鋼雖然有很好的抗氫性能，但當使用溫度超過250℃時就無法抗H2S腐蝕，因此為了避免高溫高壓下H2S腐蝕和硫酸腐蝕，在加氫反應器筒體內壁堆焊兩層奧氏體不銹鋼，即雙層不銹鋼金屬結構。堆焊第一層（過渡層）為TP309L，第二層（表面層）為TP347L，堆焊厚度一般不小于3mm。不銹鋼堆焊層金屬若為單相奧氏體組織，則容易產生高溫裂紋，因此要求熔敷金屬由奧氏體和鐵素體兩相組織構成。但鐵素體過多也有不利的一面，即熱處理中鐵素體會轉變為σ相，使堆焊層脆化。因此鐵素體質量分數通常控制在5%-7%。鐵素體質量分數與Cr質量分數有關，Cr質量分數在20%時，鐵素體質量分數一般在5%-10%質量分數較高或較低時都會造成鐵素體質量分數升高[2]。

三、鐵素體含量的測定方法

3.1、金相測量法：

金相測量法是將焊接部位通過取樣，磨制、拋光、腐蝕后在顯微鏡下進行觀察。根據GB/T1954-2008的規定[3]，焊縫金屬必須是從產品所帶供檢驗用的試板至少取6個金相試樣，取樣的尺寸、部位見圖1

試樣觀測面按常規金相進行研磨和拋光，機械拋光要求不存在金屬表面紊亂層的光潔鏡面為合格，電解拋光則以得到無任何磨痕和不破壞鐵素體的完整性為準。拋光完成后，用化學法或電解侵蝕法來顯示其鐵素體，最后在顯微鏡下進行測量。測量的方法有2種：割線法和圖譜比較[4]法見圖2。一般以割線測量法為準，圖譜比較法屬半定量分析，只能給出鐵素體含量的大概范圍。

金相法可通過顯微鏡直觀地觀察到鐵素體的分布，其含量。但在制樣方面要求嚴格，尤其是在試樣的拋制過程，要花費很長的時間，反復操作，才可以達到良好的觀測效果，在試樣的電解、侵蝕過程要把握好時間，溫度和電流的影響，否則觀測效果不好。

3.2、saeffler圖計算法

schaeffler圖稱舍夫勒組織圖是表征不銹鋼焊縫金屬的化學組成(不計氮元素)與組織的定量關系圖。是舍夫勒(sehaeffler)根據不銹鋼手工電弧焊的焊縫組織實測統計繪成的組織圖(1949年)。利用此圖，可依據熔數金屬的化學組成推算出焊縫金屬的相組織及鐵素體量。

組織圖中，縱坐標用Nicq(鎳當量)表示，鎳當量是 反映不銹鋼焊縫金屬組織奧氏體化程度的指標。其量 值是根據焊縫金屬組織中包含的奧氏體元素(如鎳，碳，錳等)，按其奧氏體化作用的強烈程度折算成相當于若干個鎳之總和;橫坐標用Creq(鉻當量)來表示，鉻當量是反映焊縫金屬組織的鐵素體化程度的指標，其量值是根據參與焊縫組織中的鐵素體化元素 (如鉻，鋁，硅，鈮等)，按其鐵素體化作用的強烈程度，折算成相當于若干個鉻之總和。

一般操作過程是將產品的焊縫進行取樣后，進行主要的化學分析成分分析，然后按照以下二個公式分別計算出鎳當量和鉻當量。

Ni當量＝Ni%+C30%+Mn0.5%

Cr當量＝Cr%+Mo%＋Si1.5%＋Nb0.5%

最后根據鎳當量和鉻當量的值在saeffler圖中查出鐵素體的含量。該測量方法適用于無金相試驗和儀器測量的情況，化學元素分析好掌握，相對計算不復雜，缺點是從圖表中查到鐵素體含量的數據相對來說有些誤差。在對于多臺產品，多焊縫，用此法來測量時，取樣任務量較大，分析時間長，繁瑣。

3.3、磁性測量法（儀器測量）：

磁性測量法是指儀器測量，磁性測量法在GB/T1954-2008中的解釋為以磁吸引力或導磁率原理的鐵素體測量儀器進行測量，儀器一般可以稱之為鐵素體測量儀。

在某石化公司檢修時對加氫反應器不銹鋼堆焊層的鐵素體含量測定時，采用了德國FISCHER公司進口的鐵素體含量測定儀作為檢測工具，此儀器簡單快捷，大大提高了工作效率，抽查了5處堆焊層，包括加氫反應器的上封頭、下封頭與筒體，測得不銹鋼堆焊層鐵素體含量為3%-5%，符合要求。

結語

綜合對加氫反應器不銹鋼堆焊層中的鐵素體相的作用和含量限制進行的分析，在不銹鋼的使用中，應考慮其具體的加工方式、失效機理和服役環境條件，掌握鐵素體相的含量調整原理、測量和計算方法，控制鐵素體相的不利作用，發揮其有利作用，以保證設備的質量和安全運行。

[1]孫海濤.核電焊接用奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的作用和定量[J].核電焊接專題,2010,10：33.

[2]鄧康.加氫反應器材料選用 [J].石油化工設備,2004,5：33.

[3]GB/T 1954-2008.鎳鉻奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法[s].

[4]GB/T 15749-2008定量金相測定方法[s].