制氫裝置用347H承壓管道焊后熱處理標準淺析

張玉成，賈浩梅

(合肥實華管件有限責任公司，安徽 合肥 230601)

在制氫裝置工程應用上，為消除347H不銹鋼承壓管道的焊接應力和提高抗應力腐蝕、耐晶間腐蝕和抗連多硫酸應力腐蝕能力，通常要求進行焊后熱處理，但347H不銹鋼管道的焊縫及熱影響區在焊后熱處理過程中或制氫裝置運行一段時間后，常出現再熱裂紋[1-7]。由于再熱裂紋不是在焊接過程產生，而是在熱處理后或制氫裝置運行時產生的，因此再熱裂紋有一定的隱蔽性，出現事故具有不可預見性，嚴重影響制氫裝置的安全運行。

目前國家標準、行業標準和國外標準規范對347H不銹鋼管道是否進行焊后熱處理和如何進行焊后熱處理的規定不一致，按照標準規定進行焊后熱處理后，常出現再熱裂紋，這給工程技術人員帶來了很大困惑，為國內制氫裝置347H不銹鋼承壓管道的生產制造和安全運行帶來了難度和風險，亟待解決。

國家能源局于2018年10月29日發布了NB/T 10068—2018《含穩定化元素不銹鋼管道焊后熱處理規范》，該標準規定了以操作溫度和厚度范圍作為347H不銹鋼焊后熱處理條件，提出了控制焊縫鐵素體含量和調整熱處理工藝以減弱再熱裂紋傾向，為制氫裝置用347H不銹鋼承壓管道的焊后熱處理提供了指引，具有一定的參考意義。本文對國內外有關347H不銹鋼焊后熱處理的標準做了匯總，對NB/T 10068—2018規定的合理性進行了分析，并提出修訂建議，期望有助于完善該標準，便于制氫裝置用347H不銹鋼承壓管道焊后熱處理工藝執行，提高管道安全運行可靠性。

1 347H不銹鋼焊后熱處理分類

347H不銹鋼是一種添加Nb作為穩定化元素的鉻鎳奧氏體型不銹鋼，具有較好的高溫持久強度、抗晶間腐蝕、應力腐蝕和抗高溫氧化能力，廣泛應用于制氫裝置工藝管線。347H不銹鋼件焊后熱處理常采用3種 方法：①消除應力熱處理，用于減少殘余應力；②固 溶處理，用于溶解碳化物、鐵素體和σ相；③穩定化熱處理，利用鈮元素優先與碳結合，限制碳與鉻結合生成碳化鉻析出物。具體分類如表1所示。

表1 347H不銹鋼焊后熱處理分類

2 奧氏體不銹鋼焊后熱處理標準現狀

2.1 ASME標準的規定

美國機械工程師學會American Society of Mechanical Engineers(ASME)歸口鍋爐、壓力容器、核能容器、壓力管道的設計、制造與檢驗規范標準，是具權威性和影響力的國際性學術組織，ASME標準關于奧氏體不銹鋼焊后熱處理的規定如表2所示。

表2 ASME標準對奧氏體不銹鋼焊后熱處理的規定

由表2可以看出，ASME歸口標準規定P-No.8組別材料不要求也不禁止焊后熱處理，347H不銹鋼屬于P-No.8組別材料，不要求也不禁止焊后熱處理。

ASME BPVC第II卷D篇的非強制附錄A-206提出了應力松弛開裂概念，指出應力釋放裂紋不僅會發生在冷成形區域，也會發生在存在高水平殘余應力的焊縫中，當347H材料被加熱到510～760 ℃范圍內的溫度時，會產生析出硬化，晶粒內部材料得到強化，提升了材料的蠕變強度和硬度，但是晶界處強度較弱，在熱處理過程或高溫運行時產生的應變會聚集到晶粒邊界上，產生應力松弛開裂，即再熱裂紋。當347H不銹鋼暴露在容易產生應力松弛開裂傾向的條件下，宜按ASME BPVC 第I卷中的PG-19條或ASME BPVC第Ⅷ卷第1冊中的UHA-44條規定進行焊后固溶處理。

ASME BPVC第I卷、ASME BPVC第Ⅷ卷第1冊和第2冊規定了以產品設計溫度和焊縫厚度作為是否焊后熱處理的條件準則，當產品設計溫度>540 ℃、承壓部件的環向對接焊縫和母材的壁厚>13 mm、環形角焊縫的焊喉尺寸>13 mm或復合坡口和角焊縫的焊縫厚度>13 mm時，容易產生應力松弛開裂，建議做焊后固溶處理。制氫裝置用347H不銹鋼承壓管道設計溫度一般為650～690 ℃，管道壁厚一般大于13 mm，易產生應力松弛開裂傾向，設計方通常要求對制氫裝置用347H不銹鋼承壓管道進行焊后熱處理。

2.2 API標準的規定

美國石油學會American Petroleum Institute(API)關于不銹鋼焊后熱處理的標準規定如表3所示。

表3 API標準對347H不銹鋼焊后熱處理的規定

API RP 582-2016主要對焊接質量進行了規定，為降低應力松弛裂紋傾向，要求控制熔覆金屬鐵素體含量，347型熔覆金屬在焊后熱處理前的鐵素體數應控制在3～10 FN(FN為采用磁性法測得的鐵素體含量級別序數，下同)，允許采用E(R)16.8.2焊材作為347/347H或321/321H的焊縫填充金屬，16.8.2型熔覆金屬在焊后熱處理前的鐵素體數應控制在1～5 FN，同時標準要求控制厚壁穩定化奧氏體不銹鋼原材料的晶粒度、焊接線能量，以降低焊接裂紋和應力松弛裂紋的出現概率。347H材料焊后熱處理規程由買方批準后執行，將焊后熱處理的決定權交于買方。API TR 942B-2017提出應力松弛開裂可能發生在焊后熱處理過程或在500～750 ℃高溫服役期間，通常出現在壁厚大于12 mm的厚壁截面347型焊接接頭中。為避免或盡量減少應力松弛裂紋，應考慮采取控制原材料化學成分、晶粒度、焊接材料、焊接工藝、焊縫鐵素體含量和焊后消應力處理等措施。

2.3 ISO標準的規定

國際標準化組織International Organization for Standardization(ISO)關于奧氏體不銹鋼焊后熱處理工藝的標準主要有ISO/TR 14745:2015Welding-post-weldheattreatmentparametersforsteels，該標準規定不銹鋼一般不進行焊后熱處理，如果制造廠認為奧氏體不銹鋼焊后熱處理很有必要，焊后熱處理的保溫時間、保溫溫度等工藝參數應考慮材料生產廠家的建議，同時要考慮焊材的影響，以確保焊后熱處理后材料性能符合要求。

2.4 我國國家標準及行業標準的規定

目前我國不銹鋼產品選用的熱處理制度和依據主要為國家標準和行業標準，涉及的主要焊后熱處理專用標準見表4，由表4可見，不同的行業標準或國家標準對不銹鋼焊后熱處理的規定并不一致，其中NB/T 10068—2018提出以操作溫度和壁厚范圍作為含穩定化元素焊后熱處理的實施條件，在一定程度上吸收美國先進標準和工程案例經驗，具有一定的先進性。

表4 我國國家和行業標準對不銹鋼焊后熱處理的規定

3 NB/T 10068—2018標準淺析

3.1 焊縫鐵素體含量測量的規定

347型不銹鋼在焊接冷卻結晶時，其相變過程順序如下：液相(L)→高溫鐵素體相(δ)→奧氏體相(γ)，常溫組織為奧氏體加少量因過冷而殘留的鐵素體，少量的鐵素體在焊縫金屬中呈孤島狀，可阻礙奧氏體的枝晶發展，并能溶解雜質以減少偏析，少量鐵素體的存在對抗熱裂紋是有利的，但是鐵素體的存在會增加奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性，而且鐵素體在高溫下長期停留時還會導致金屬脆性相的生成，容易導致再熱裂紋產生，一般限制347型熔覆金屬的鐵素體數為3～10 FN，因此SH/T 3554—2013附錄C規定347型熔覆金屬在焊后熱處理前的鐵素體數不得超過10 FN。API RP 582-2016WeldingGuidelinesfortheChemicalOilandGasIndustries第6.4.2.2條規定347型熔覆金屬在焊后熱處理前的鐵素體數應控制在3～10 FN。NB/T 10068—2018也提出了控制焊縫鐵素體含量以減弱再熱裂紋傾向，規定了當操作溫度大于500 ℃時，對與彎頭、三通等管件連接的預制焊縫進行固溶+穩定化熱處理，熱處理后熔覆金屬鐵素體數控制在3～5 FN，對現場焊縫宜進行穩定化熱處理，熱處理后熔覆金屬鐵素體數控制在9 FN以下。此條規定可能考慮欠妥，具體如下：

1)鐵素體測量順序問題，NB/T 10068—2018規定了焊縫熔覆金屬應在熱處理后進行鐵素體含量測量，此鐵素體測量順序和目前大多數標準規定不一致。SH/T 3554—2013和API RP 582-2016都規定了焊縫熔覆金屬鐵素體含量應在焊后熱處理前測量。研究表明，焊接電流、電壓、層間溫度和電弧長度等都影響焊縫金屬鐵素體含量[8]，在熱處理前測量和控制鐵素體含量，一定程度上也對焊接工藝進行了控制，有益于提升焊縫質量。同時焊縫中的鐵素體在高溫熱處理后會發生球化和向奧氏體轉變傾向，鐵素體數值會下降，即使焊縫鐵素體數在熱處理前大于10 FN，呈網狀連續分布的不利形態，經焊后熱處理后，鐵素體發生一定程度的球化，鐵素體數可能下降到標準規定值，但鐵素體分布形態可能變化不大，仍然呈網狀分布形態，具有一定的再熱裂紋敏感性[9]，不利于提升焊縫質量。建議將鐵素體測量調整至焊后熱處理前，或者在焊后熱處理前增設鐵素體測量工序，以控制焊態熔覆金屬鐵素體含量。

2)鐵素體含量合格值問題，NB/T 10068—2018規定了工廠預制焊縫進行固溶+穩定化處理，熱處理后熔覆金屬鐵素體數在3～5 FN，現場焊縫進行穩定化處理，熱處理后鐵素體數控制在9 FN以下。此鐵素體含量合格值規定不太合理，其一，采用E(R)347型焊材作為347/347H或321/321H的焊縫填充金屬，焊縫經高溫固溶處理后，鐵素體大量溶解，轉變成奧氏體相，熔覆金屬鐵素體數可以降低到3 FN以下[9]。少量鐵素體的存在對抗熱裂紋是有利的，一般要求焊態金屬的鐵素體數控制在3～10 FN，熱裂紋在焊接完成后，通過無損檢測手段就能夠發現[10]，工程應用上出現的347H焊縫失效大多數為再熱裂紋失效。目前尚無理論研究表明較低的鐵素體含量會導致再熱裂紋的產生，鐵素體在高溫下長期停留時還會導致金屬脆性相的生成，加劇再熱裂紋敏感性，在滿足焊縫不出現熱裂紋的前提下，應通過熱處理手段，盡量降低焊縫中的鐵素體含量，降低再熱裂紋敏感性，不應設置固溶+穩定化熱處理后的鐵素體數為3 FN的下限值。其二，僅考慮到采用E(R)347型焊材作為347/347H或321/321H的焊縫填充金屬，未考慮到E(R)16.8.2焊材，AWS D10.4-1986RecommendedPracticesforWeldingAusteniticChromium-NickelStainlessSteelPipingandTubing提出了為降低熱裂紋和再熱裂紋傾向，應避免使用E(R)347型焊材，可以采用E(R)16.8.2型焊材。E(R)16.8.2熔覆金屬具有良好的高溫塑韌性、較低的硬度和優異的抗再熱裂紋性能，是解決347/347H厚壁管道再熱裂紋的重要焊材，越來越受到工程建設者的關注[11]。E(R)16.8.2由于化學成分配比特殊，其熔覆金屬典型的鐵素體數一般在1～3 FN，降低了鐵素體相轉變成σ相的風險，能較好地避免再熱裂紋的出現。API RP 582-2016允許采用E(R)16.8.2焊材作為347/347H或321/321H的焊縫填充金屬，該標準第6.4.2.2條規定E(R)16.8.2型熔覆金屬在焊后熱處理前的鐵素體數應控制在1～5 FN，NB/T 10068—2018規定固溶+穩定化熱處理后的鐵素體數下限值為3 FN，明顯不太合理，建議取消下限值，同時增加E(R)16.8.2型熔覆金屬鐵素體數要求。

3)鐵素體含量測量方法局限，焊縫鐵素體含量通常有“鐵素體含量級別序數”(鐵素體數，單位FN)和“鐵素體百分含量”(體積分數，%)兩種表示方式，NB/T 10068—2018規定了焊縫熔覆金屬的鐵素體數，相當于明確了焊縫應該按照磁性法進行鐵素體含量測量，沒有明確是否接受金相法進行鐵素體含量測量。不銹鋼焊縫中鐵素體含量的準確測定通常要求采用金相法[12]，磁性法雖然操作簡便，但是由于焊縫區域的奧氏體和鐵素體間距較小，磁性法測量讀數變化較大，如果沒有同樣的幾何形狀和相平衡的金相測量結果作為參考標準，磁性法檢測可靠性有限。同時NB/T 10068—2018第4.3條規定“奧氏體不銹鋼材料鐵素體含量應控制在4%～9%”，應當注意鐵素體數FN和鐵素體體積分數不能一一對應，存在一個換算關系，可按照JB/T 7853—1995《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫金屬中鐵素體數的測量》進行換算，換算結果與NB/T 10068—2018標準后面的鐵素體含量規定不一致，產生矛盾。另外，NB/T 10068—2018要求無縫鋼管、無縫管件等奧氏體不銹鋼原材料也控制鐵素體含量在4%～9%，基本無法做到，因為鋼管、管件等原材料不涉及焊接，本身鐵素體數就較低，通常在1 FN以下，建議修改和調整標準第4.3條，同時明確鐵素體含量檢測方法，增加金相法測量熔覆金屬鐵素體含量。

3.2 焊后熱處理實施條件

NB/T 10068—2018提出了以操作溫度和工件厚度范圍作為焊后穩定化熱處理的實施條件，對于操作溫度≥500 ℃ 的任意壁厚的TP321/TP321H/TP347/TP347H不銹鋼、操作溫度在425 ℃和500 ℃之間且壁厚<40 mm的TP321/TP321H不銹鋼或操作溫度在450 ℃和500 ℃之間且壁厚<40 mm的TP347/TP347H不銹鋼，應進行焊后穩定化熱處理。但該標準關于焊后穩定化熱處理實施條件的規定尚不完善，理由如下：

1)以操作溫度作為焊后熱處理條件的規定不太合理。壓力管道按照設計壓力、設計溫度、介質毒性程度、腐蝕性和火災危險性進行管道分級，在設計文件中會規定壓力管道的設計溫度，但一般不會規定操作溫度。制造單位按照圖紙及設計文件進行生產制造，無法獲得產品的實際操作溫度，無法判斷是否需要進行焊后穩定化熱處理。美國標準制定較為科學，ASME BPVC第I卷、ASME BPVC第Ⅷ卷第1冊和第2冊規定以設計溫度作為焊后熱處理條件，當產品設計溫度>540 ℃時，容易產生應力松弛開裂，宜進行焊后固溶熱處理。建議標準將焊后熱處理條件由操作溫度調整為設計溫度，以便于標準實施。

2)操作溫度≥500 ℃的任意壁厚TP321/TP321H/TP347/TP347H不銹鋼必須進行焊后熱處理的規定不太合理。應力松弛開裂與壁厚和焊接接頭的拘束度密切相關，壁厚越大，焊接接頭的拘束度越大，越容易產生應力松弛裂紋。美國標準在制定過程結合工程實踐經驗，編制較為科學，ASME BPVC第I卷、ASME BPVC第Ⅷ卷第1冊和第2冊規定當產品設計溫度>540 ℃、承壓部件的環向對接焊縫和母材的壁厚>13 mm、環形角焊縫的焊喉尺寸>13 mm或復合坡口和角焊縫的焊縫厚度>13 mm時，容易產生應力松弛開裂，宜進行焊后固溶熱處理。建議標準結合工程實踐經驗和國外先進標準，當操作溫度≥500 ℃時，設置焊后熱處理豁免條件，對于薄壁和焊接接頭拘束度較小的工件，豁免其焊后熱處理，維持標準的科學性和先進性。

3.3 專利信息披露

NB/T 10068—2018規定需在現場進行焊后穩定化熱處理且壁厚大于或等于40 mm的含穩定化元素不銹鋼管道，應按照NACE Paper 04640及SH/T 3554—2013的要求進行升溫。需要說明的是，NACE Paper 04640中采用的焊后分步熱處理工藝由Fluor Technologies Corporation、Messer和Barry于2003年申請PCT專利，并獲得加拿大發明專利授權(專利號：CA 2537506)，若將NACE Paper 04640焊后熱處理技術內容納入NB/T 10068—2018標準中，可以選擇兩種途徑，一是要求知識產權人放棄權利，二是獲得該項專利許可授權。從專利信息披露角度看，NB/T 10068—2018專利披露情況不完善，后續可能會造成侵權糾紛。

綜上所述，NB/T 10068—2018規定了以操作溫度和厚度范圍作為347H不銹鋼焊后熱處理條件，提出了控制焊縫鐵素體含量和調整熱處理工藝以減弱再熱裂紋傾向，為制氫裝置用347H不銹鋼承壓管道焊后熱處理提供了指引，具有一定的參考意義。但在鐵素體測量順序、鐵素體含量合格值、鐵素體測量方法、焊后熱處理實施條件判定和專利信息披露方面還存在一定的問題，NB/T 10068—2018標準規定了焊后穩定化熱處理制度，但該工藝制度與其他標準規定沒有明顯區別，無法徹底消除焊后熱處理過程或高溫服役時產生的應力松弛裂紋，后續可采納國外先進標準和工程實踐規范，考慮采取控制原材料化學成分、晶粒度、焊接材料、焊接工藝、焊縫鐵素體含量和焊后熱處理工藝等措施，消除應力松弛裂紋。

4 結論及建議

1) 制氫裝置用347H不銹鋼承壓管道設計溫度一般為650～690 ℃，管道壁厚一般大于13 mm，易產生應力松弛開裂傾向，宜按ASME BPVC 第I卷PG-19條或ASME BPVC第Ⅷ卷第1冊UHA-44條規定進行焊后固溶處理。NB/T 10068—2018提出以操作溫度和壁厚范圍作為焊后熱處理的實施條件，在一定程度上吸收美國先進標準和工程案例經驗，具有一定的先進性，為制氫裝置用347H承壓管道是否需要焊后熱處理提供了實施指引，具有一定的參考意義。

2) NB/T 10068—2018在鐵素體測量順序、鐵素體含量合格值和鐵素體測量方法方面還存在一定問題，建議應該將鐵素體測量調整至焊后熱處理前，或者在焊后熱處理前增設鐵素體測量工序，以提升焊縫質量。取消固溶+穩定化熱處理后的鐵素體數為3 FN的下限值，增加E(R)16.8.2型焊縫熔覆金屬鐵素體數要求，同時明確鐵素體含量檢測方法。

3) NB/T 10068—2018關于焊后穩定化熱處理實施條件的規定尚不完善，建議將焊后熱處理條件由操作溫度調整為設計溫度，以便于標準實施。同時結合國外先進標準和工程實踐經驗，設置焊后熱處理豁免條件，對于操作溫度≥500 ℃的薄壁和焊接接頭拘束度較小工件，豁免其焊后熱處理，維持標準的科學性和先進性。

4) NB/T 10068—2018未充分做好專利信息披露工作，建議后續應做好專利信息披露，防止出現知識產權劫持標準的狀況，讓標準制定參與者及將來的實施者掌握相關專利信息從而進行決策。