加氫裝置TP347材料焊接裂紋分析

李俊濤

(中海油氣(泰州)石化有限公司,江蘇 泰州 225300)

近些年，隨著煉油原料劣質化及加工規模的不斷擴大，加氫裝置反應系統中管道選材也大量應用TP347奧氏體不銹鋼。ASME SA312 TP347 近似相當于我國的1Cr19Ni11Nb，屬于高C含Nb的Cr-Ni奧氏體不銹鋼，由于含穩定化元素Nb，故其耐晶間腐蝕性能良好，且在酸、堿、鹽等腐蝕介質中其耐蝕性與含Ti的18-8奧氏體不銹鋼相近，因此廣泛應用于鍋爐、發電、石油、化工等工業的大型鍋爐過熱器管、再熱器管、蒸汽管道和石油化工的熱交換器等設備。

1 工程實例

1.1 基本情況介紹

2016年國內某加氫裂化裝置項目建設過程中，在對加裂裝置反應進料泵透平入口管線上的TP347管道壓力元件(過濾器)進行打底焊接時產生裂紋。焊接裂紋位于過濾器出口(N2)與大小頭連接的焊縫部位(如圖1所示)。

圖1 現場實際焊接位置

具體工程焊接情況如下：

1) 該TP347管道工況條件為操作壓力約14.8 MPa，操作溫度約245 ℃。介質為反應產物油，含有少量溶解H2和H2S。

2) 過濾器及大小頭材料為國產TP347。

3) 過濾器結構為T型(如圖2所示)，出、入口規格均為DN250 CLass2500 Sch.160，大小頭規格為DN250×150 Sch.160/ Sch.160,過濾器出口(N2)與大小頭堆焊連接。圖3所示的焊口為焊接熱裂紋失效位置。

圖2 焊接失效過濾器結構

4) 《焊接工藝方案技術要求》中要求焊縫金屬鐵素體含量為4%～8%，焊后需進行穩定化熱處理。

5) 無損檢測技術要求為100% RT檢測，且每道中間焊道和最后蓋面焊道都要進行100%PT檢測。

圖3 TP347材質現場焊接

1.2 焊接質量主要問題

施工焊接前，按有關標準進行TP347材料的管道焊接工藝評定，結果顯示，焊接工藝評定結果合格，焊縫金屬鐵素體含量為5.2%～6.0%。

現場施焊過程中對過濾器與大小頭對接焊縫打底焊接時，剛進行對口打底施焊，焊縫就在冷卻過程中出現了焊接熱裂紋(如圖3所示)。針對該問題，業主、設計院、材料供應商、施工單位等相關方的質量工程師開展了技術分析工作。通過采取調整焊接工藝參數、更換焊接技師、重新選擇焊材等措施重新進行施焊，打底焊縫依然重復出現熱裂紋問題。相關各方技術專家在經過會診分析后，一致認為是國產TP347母材質量問題，隨后有關各方對過濾器三通和大小頭進行了系統的材料檢測。

1.3 TP347母材綜合性能檢查

對現場焊接的大小頭管件金屬材料試樣的化學成分、硬度及金屬晶相等方面進行檢驗分析，并對其進行平均晶粒度評級(ASTM E112，比較法)測試，評定結果為6.0級，如圖4所示。

圖4 大小頭管件現場晶相檢測(100×)

對失效焊接的過濾器三通部件材質化學成分進行檢測，并與采用半定量光譜分析方法對失效三通部件進行現場檢測的結果進行對比分析(結果見表1)。結果顯示，材料所含金屬元素Cr、Ni、Nb的含量均符合相關標準要求，無明顯缺陷。檢查制造過濾器三通所使用的鋼管(φ273 mm×28 mm)母材原材料產品質量證明文件，結果顯示，TP347母材交貨熱處理狀態為固溶(溫度1 050 ℃)，未進行穩定化熱處理。推制三通所采用的鋼管母材的機械性能如表2所示。過濾器的產品質量文件顯示，在鋼管母材完成三通管件的推制后，同樣未進行穩定化熱處理。

表1 TP347三通材質的化學成分 w,%

表2 三通材料機械性能分析

經過各方專家的技術分析及綜合考慮，一致認為失效過濾器三通不可再次焊接使用。因此業主重新訂購了1臺新過濾器，制作三通部件與大小頭的母材選用同一廠家的產品。現場更換新管道壓力元件后重新進行焊接，焊縫經100%PT和100%RT檢測驗收均一次性合格，未出現焊接熱裂紋及再熱裂紋問題。

2 影響焊接熱裂紋相關因素

大量理論研究及工程實例說明，300系奧氏體不銹鋼具有良好的可焊性，但如果操作及質量控制不當，容易出現一些與自身特點有關的特殊問題，如焊接熱裂紋、再熱裂紋、產生脆性相變等，其中347比321更容易產生焊接熱裂紋和再熱裂紋。

2.1 焊接熱裂紋的種類

奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋一般分為2種：一種是凝固裂紋(又稱為結晶裂紋)，另一種為液化裂紋。結晶裂紋是焊接熔池在初次結晶晶界的裂紋，一般發生在凝固線溫度區間，且只發生在焊縫中。液化裂紋是緊靠熔合線的近焊縫區過熱端的母材晶界被局部重熔、出現晶間液膜分離，在收縮應力作用下產生的裂紋，其出現于近焊縫區。無論是結晶裂紋還是液化裂紋，都具有沿晶開裂的特點。本工程實例的焊接熱裂紋屬于結晶裂紋。

2.2 影響結晶熱裂紋的因素

奧氏體鋼焊接時有較大熱裂傾向，主要有下列特點：

1) 奧氏體鋼的熱導率小、線脹系數大，在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊縫及熱影響區在冷卻過程中形成較大的拉應力。焊縫凝固期間存在較大焊接拉應力是產生熱裂紋的必要條件。

2) 奧氏體不銹鋼焊縫結晶形成方向性強的柱狀晶焊縫組織，在凝固結晶過程中溫度范圍很大，一些低熔點雜質元素偏析嚴重并且在晶界聚集，形成低熔點夾層薄膜，在一定的拉應力作用下起裂、擴展和促使晶界裂紋產生【1】。

3) 奧氏體不銹鋼及焊縫的合金組成較復雜，不僅S、P、Sn等有害雜質可形成易熔液膜，一些合金元素因溶解度有限(如Si、Nb)，也能形成易熔共晶，如硅化物共晶、鈮化物共晶，焊縫及近縫區都可能產生熱裂紋。在高Ni穩定奧氏體鋼焊接時，Si、Nb是產生熱裂紋的重要原因之一。347奧氏體鋼的近縫區液化裂紋就與含Nb有關。

對于結晶裂紋，焊縫金屬在冷卻凝固過程中，要經歷液-固態(液相占主體)和固-液態(固相占主體)2個階段【2】。在液-固階段，焊縫金屬一般是靠液體流動而發生變形，少量的固體只做輕微移動。在固-液階段，晶體間相互移動，晶體本身也發生塑性變形。由于晶體之間相互交織長成枝狀晶體骨架，殘存的低熔點液相不能自由移動，在最終的低熔點金屬凝固收縮時發生很大的應力變形，以致于應變量超過晶間的延展性，從而發生晶間開裂。

2.3 熱處理工藝對材料的影響

C元素在奧氏體不銹鋼中的溶解度與溫度有很大關系。一般來說，奧氏體不銹鋼在經過400～850 ℃溫度范圍(敏化溫度區域)時，會有高鉻碳化物(Cr23C6)析出。固溶熱處理是將奧氏體不銹鋼加熱到1 100 ℃左右，使碳化物相全部或基本溶解， C元素固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使C達到過飽和狀態。此時C已經穩定，不會與Cr形成高鉻碳化物。固溶熱處理中的快速冷卻工藝是軟化處理的過程。

穩定化處理是為避免C與Cr形成高鉻碳化物，而在奧氏體鋼中加入Nb等穩定化元素，當加熱溫度超過875℃時，Nb能優先與C結合，形成穩定碳化物NbC，大大降低奧氏體中固溶C的濃度(含量)，從而達到犧牲Nb元素以保障Cr元素的目的。經穩定化處理的奧氏體不銹鋼比進行固溶熱處理的奧氏體不銹鋼具有更好的綜合機械性能。

3 焊接三通的性能對比分析

3.1 化學成分對比

通過對前后2個三通材料進行化學成分對比分析(見表1)發現，其金屬成分含量中的C元素含量，后者高于前者0.006%。而S、P、Si等有害元素含量基本一致，其中， S含量滿足工程上宜控制母材和焊縫金屬中含量<0.010%的標準要求；P作為易偏析的元素之一，同樣也滿足工程上一般控制母材和焊縫金屬中含量<0.025%的要求；Mn在焊接過程中起到脫S作用，能置換FeS為MnS，同時也能改善硫化物的分布形態，使薄膜狀FeS改變為球體分布，有效提高焊縫金屬的抗熱裂紋能力。Mn/S含量比增加，能夠在一定程度上減少非金屬夾渣物，因此工程上一般控制含量比≮22，2個三通材料都遠遠高于該要求。Nb與Fe、C更易形成低熔點共晶體，增加焊縫金屬的熱裂紋傾向，工程上一般要求TP347不銹鋼中的Nb/C應≮10，且要求Nb的含量不宜超過1.00%。由表1可見，2種三通的Nb含量非常接近，且Nb/C的含量比基本一致；Ni含量后者優于前者，對細化晶粒、改善焊接性能有良好的促進作用。

通過總體對比，2種三通管件化學成分中易產生低熔點共晶體的有害元素含量基本相同，同時為消除有害元素而添加的Mn、Nb等元素含量也基本相同，因此能夠排除失效三通產品由于各類化學元素含量因素影響而使產品質量不合格，進而導致焊接失效的原因。

3.2 綜合機械性能對比

通過對2個三通產品的機械性能方面進行對比分析發現，二者屈服強度基本一致且滿足標準要求，抗拉強度前者優于后者。材料延展性方面，失效三通勉強滿足相關標準要求，而后者性能高于前者約65%。延展性是指塑性變形，對于上述工程實例中有效三通的焊接，焊縫金屬在固-液態(固相占主體)凝固過程中，晶體本身發生了塑性變形，因為焊縫最終低熔點金屬凝固收縮時發生的應力變形，其應變量小于晶間的延展性，所以有效三通焊縫未發生焊接熱裂紋。

對比2個三通的熱處理狀態，區別在于失效三通只進行了固溶處理(1 050 ℃)，而有效三通經過固溶和穩定化(860 ℃、保溫1.5 h)處理2道工序。穩定化熱處理工藝能促進穩定碳化物NbC的生成，降低奧氏體中固溶C濃度，提高金屬材料的延展性等綜合機械性能，對避免347焊縫的結晶裂紋十分有效。

4 結論

目前，在工程建設中，TP347材料出現焊接問題已經屢見不鮮。防止TP347材料產生焊接熱裂紋的措施中除了要控制焊接工藝參數、鐵素體含量以及保證焊材質量等，同時還要對TP347母材的質量進行把關。在本文介紹的工程實例中，對比了2種不同熱處理方式的TP347三通焊接，在金屬化學成分含量相似、焊接工藝參數相同、焊材相同、焊接技師相同的情況下出現2種不同結果，究其原因，主要在于二者熱處理工藝不同，造成金屬材料機械性能不同，最終導致僅進行固溶處理的三通材料工程焊接失敗。因此在工作實踐中，管道或設備母材驗收時，應注意對金屬化學成分及機械性能方面的審核，同時建議業主要注重對采購產品原材料來源的質量控制。隨著我國工業各領域的發展，對TP347材料需求不斷增大，本著資源有效再利用原則，需要對大量廢舊鋼鐵進行回收再利用，這也可能是導致TP347材料綜合機械性能下降的原因之一，這種可能性還有待進一步進行理論研究。