酸性水汽提裝置酸性水管線開裂原因分析與應對措施

沈紅杰

(中國石化上海高橋石化有限公司，上海 200137)

某公司酸性水汽提裝置采用雙塔汽提工藝，分別回收H2S，NH3和凈化水。酸性水管道的材質為20號無縫鋼管，管道安裝時采用J507焊條進行焊接，焊接接頭未進行焊后消除應力熱處理。

該裝置投產運行一年左右，酸性水管線多次發生焊接接頭開裂泄漏。在裝置停工檢修期間，對部分焊接接頭進行消除應力熱處理。在裝置繼續運行半年左右，又發現20多處焊接接頭開裂泄漏，其中6處曾在裝置停工檢修時做過消除應力熱處理。為了查找管線開裂原因，在酸性水原料罐到汽提塔的管線上截取開裂泄漏的焊接接頭試樣，對其進行腐蝕產物成分分析、宏觀檢驗、硬度檢測及金相組織分析,并對不同處理狀態的焊接接頭進行了硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)的敏感性評價。

1 介質成分和裂紋宏觀形貌

1.1 酸性水水質成分

酸性水管道的操作壓力為1.4 MPa，操作溫度為40 ℃左右。酸性水呈堿性，其pH值大于7，水質成分見表1。

表1 酸性水水質成分

1.2 裂紋宏觀形貌

泄漏的焊接接頭及其裂紋形貌分別見圖1和圖2。接頭規格為φ60 mm×5 mm。從圖2可知，裂紋位于焊縫邊緣和熱影響區，長約5 mm，呈弧形。

圖1 泄漏的焊接接頭宏觀形貌

圖2 裂紋宏觀形貌

2 檢測與分析

2.1 腐蝕產物成分分析

對焊接接頭內壁的腐蝕產物進行元素分析，結果見表2。由表2可以看出，腐蝕產物中含有較多的氧化物(FeO)和少量的硫化物(MnS和FeS2)。

表2 腐蝕產物的元素分析結果w,%

2.2 硬度檢測

對泄漏的焊接接頭的焊縫、熱影響區和母材等部位進行布氏硬度檢測，結果見表3。硬度檢測結果表明，母材的硬度普遍較小，而大部分焊縫和熱影響區的硬度偏高。

表3 硬度檢測結果 HB

2.3 金相組織分析

對出現裂紋的焊接接頭取樣進行金相觀察，發現材料的顯微結構具有以下特點：

(1)裂紋主要出現在熔合線和焊縫附近(分別見圖3和圖4),所有的裂紋均起源于管道內壁，即與腐蝕介質密切接觸的地方。裂紋初始形成時較寬，在擴展過程中逐漸變細變尖，并出現明顯的分叉，具有穿晶擴展裂紋特征，其微觀形貌見圖5。

圖3 熔合線裂紋 50×

圖4 焊縫內壁裂紋 50×

圖5 穿晶擴展裂紋 500×

(2)母材、焊縫、熔合區和熱影響區等區域的顯微組織各不相同，分別見圖6至圖9。從金相組織分析可以看出，母材的顯微組織以鐵素體為主，并含少量的珠光體，相對于母材來說，焊縫含有較多的珠光體；焊縫和母材的晶粒較細，而熱影響區和熔合區的晶粒較為粗大；焊縫和熔合區含有較多的魏氏組織。在焊接施工過程中，由于工藝操作不規范，線能量輸入偏大，導致局部過熱，且焊后冷卻速度較大，容易造成焊縫和熱影響區的組織及性能發生變化。

圖6 母材組織 500×

圖7 焊縫組織 200×

圖8 熱影響區組織 200×

圖9 熔合區組織 200×

3 SSCC敏感性評價試驗

在濕硫化氫工況下,20號管線焊接施工后存在部分焊接接頭開裂失效案例，如焦化脫硫裝置富氣壓縮機二段出口管線就曾經發生過多次焊接接頭開裂現象，其介質為濕硫化氫，管道材質為20號鋼，焊接時選用J507焊條[1-2]。因此，在濕硫化氫工況下，需對20號鋼焊接接頭進行SSCC敏感性評價。焊接材料的選擇一般要求焊縫金屬的性能高于或等于母材。20號鋼抗拉強度不小于410 MPa，J422和J427焊條熔敷金屬抗拉強度不小于430 MPa，J507焊條熔敷金屬抗拉強度不小于490 MPa，因此20號鋼焊接時選用J427或J422焊條為等強度匹配，而選用J507焊條為高強度匹配。

為了考察20號鋼焊接材料和焊后熱處理對SSCC敏感性的影響，采用NACE TM0177—2016 標準中的C法即C型環試驗方法對不同處理狀態的焊接接頭進行了SSCC敏感性評價，試驗結果見表4。

表4 SSCC敏感性評價試驗結果

試驗結果顯示，在濕硫化氫腐蝕環境中，11號、12號、21號和22號試樣均未出現裂紋，而31號、32號、41號和42號均出現裂紋，以穿晶擴展裂紋為主，材料微觀形貌的脆性斷裂特征明顯，無明顯塑性變形，具有SSCC的一般特征。選用J422焊條與20號鋼進行焊接的接頭不管是否經過焊后消除應力熱處理，均未發生焊接接頭開裂；而選用J507焊條與20號鋼進行焊接的接頭不管是否經過焊后消除應力熱處理，均出現焊接接頭開裂。

4 管線開裂原因分析

通過裂紋宏觀分析、腐蝕產物成分分析、硬度檢測和金相分析結果得出，酸性水管線焊接接頭開裂具有以下特點：裂紋起源于管道內壁，為穿晶擴展裂紋，裂紋起始端較寬，尾端比較尖細，裂紋擴展時出現明顯的分叉，具有SSCC的特征。

SSCC敏感性評價試驗結果表明，與選用J507焊條焊接的接頭相比，選用J422焊條焊接的接頭具有更加優異的抗SSCC性能和抗脆斷性能。同時從現場使用情況來看，選用與20號鋼高強度匹配的J507焊條焊接的接頭不管是否經過焊后消除應力熱處理，均出現焊接接頭開裂。因此，在酸性水工況下，不宜選用與20號鋼高強度匹配的J507焊條進行焊接，而應選用與20號鋼等強度匹配的J422或J427焊條進行焊接[3]。

焊條熔敷金屬化學成分見表5。從表5來看，J507焊條中Mn的質量分數為1.60%,明顯大于J427和J422焊條。Mn是一種易偏析的元素，能降低材料中的馬氏體轉變溫度，當Mn在偏析區累積達到一定比例時，在焊后冷卻過程中，會產生馬氏體和貝氏體等高硬度的顯微組織，易引發SSCC[4]。因此,為了提高鋼材抗SSCC的性能，應該將焊材中的錳含量降到盡可能低的水平。

表5 焊條熔敷金屬化學成分 w,%

5 結論與措施

(1)酸性水管線焊接接頭開裂泄漏是由SSCC引起的,其開裂的主要原因在于20號鋼管線焊接時選用了高強度匹配的J507焊條。

(2)現場實踐和試驗結果表明，選用與20號鋼高強度匹配的J507焊條進行焊接，雖然焊接接頭經過焊后消除應力熱處理，其硬度滿足規范要求，但仍可能出現SSCC。因此，在酸性水工況下，碳鋼管線應選擇與母材等強度匹配的焊接材料。