湿式氧化反应器裂纹原因分析及对策

2015-09-01 00:00:00 作者：班英飞来源：《腐蚀防护之友》分享至：

当今社会生活中，环境污染和污水处理日益引起国家和民众的重视。作为大型的石油化工企业，厂区内的污水处理是很重要的一个生产环节。为确保设备的安全有效运行，需要对重点设备湿式氧化反应器进行定期检，并采取相应的控制和预防措施。

文| 赵伟丽中国石油乌鲁木齐石化公司

当今社会生活中，环境污染和污水处理日益引起国家和民众的重视。作为大型的石油化工企业，厂区内的污水处理是很重要的一个生产环节。乌鲁木齐石化公司净化水厂负责全厂的生产、生活污水处理，而湿式氧化反应器（R-101）是净化水厂的关键设备。在对净化水厂的重点设备湿式氧化反应器进行定期检验时，发现外壁上部纵、环焊缝存在大量裂纹。根据容器的材料和所处的腐蚀环境，分析了裂纹产生的原因，主要是由于热裂纹、晶间腐蚀和保温层下腐蚀，并从焊接材料、焊接工艺、焊接过程中应注意的问题、焊后处理和保温材料等方面采取了控制和预防措施，并对该容器进行了修复，确保了设备的安全有效运行。

检验情况

乌鲁木齐石化公司净化水厂负责整个乌石化公司的生产、生活污水处理，该设备如果不能正常投用，则对全厂的污水处理能力造成严重影响。我们检验单位对净化水厂的湿式氧化反应器（位号：R-101）进行了定期检验，该容器于2007 年6 月制造， Ⅱ类压力容器，材质为0Cr18Ni12Mo2Ti，厚度为15mm，介质为废碱液，保温材料是复合硅酸盐。检验的具体情况如下：

按照检验方案，先期进行定期检验包括的检测项目有：宏观、测厚、渗透探伤和安全附件检查。宏观检查和测厚结果均未见异常。经PT 抽测，发现外壁上部纵、环焊缝存在多处裂纹，且多条裂纹的长度竟然大于1 米。根据现场检验的情况，提出建议：对该容器所有的环、纵焊缝进行PT 扩检。车间对该容器的外保温进行全面拆除后，我单位再次进行了渗透探伤检测工作。对外部焊缝进行100% 渗透检测，发现外壁上部纵、环焊缝存在大量裂纹，最长的长度为整圈环焊缝。缺陷分布的部位和形貌见图1、3、4。

图1 纵焊缝肉眼可见的裂纹

图2 裂纹的金相组织形貌

图3 焊缝渗透检测发现的裂纹

图4 焊缝渗透检测发现的裂纹

对裂纹部位进一步进行金相检验，采用3% 的硝酸溶液进行侵蚀，用显微镜进行观察，金相检验组织为孪晶奥氏体，裂纹微观形态为穿晶裂纹并伴随有沿晶裂纹（具体形貌见图2）。可以确定为应力腐蚀开裂。裂纹在筒体分布的部位如下：

裂纹在筒体分布的部位

裂纹形成原因分析

热裂纹

焊接奥氏体不锈钢时，焊缝和热影响区会产生裂纹，而且主要是热裂纹、其原因为：

1、奥氏体不锈钢的导热系数小和线膨胀系数大，其热膨胀系数大约是低碳钢的1.35 倍，在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大拉应力，拉应力会使奥氏体不锈钢在焊接时出现较大的热裂敏感性，形成初始的微裂纹。

2、奥氏体钢焊缝易形成方向性强的柱状晶组织，促进了有害杂质偏析，易形成晶间液态夹层，增大热裂倾向。

3、在含镍很高的奥氏体不锈钢中，不仅硫、磷、锡、锑等杂质可形成易熔夹层，而且一些合金组元，如硅、硼、铌等，因溶解度有限也易产生偏析，形成易熔夹层，增大了热裂倾问。

晶间腐蚀

由于奥氏体不锈钢的耐腐蚀成分主要是Cr，焊缝若在450 ℃ ～ 850 ℃ 温度区间停留，或在焊接热循环下，加热至450℃～ 850℃的热影响区内，焊接时电弧产生的高温会使得焊缝附近的Cr 容易和C 元素在晶间形成碳化铬（Cr23C6）的化合物沉淀，造成晶界附近的含铬量急剧减少，形成贫铬区，降低了不锈钢的耐腐蚀性（即沿晶粒边界发生腐蚀）。晶间腐蚀的特点：外观仍有金属光泽，但与晶粒已失去联系，敲击时失去金属声音、钢质变脆。一般认为650℃为晶间腐蚀的敏感温度，奥氏体钢焊缝或热影响区，只要在这个温度停留十几秒到几分钟，就会产生晶间腐蚀。预防晶间腐蚀的有效手段是固溶处理，然而，在装置的安装现场，对容器焊缝进行固溶处理的难度很大。所以，现场基本不对焊缝进行消除应力的热处理工作，这就使焊缝区域残存了很大的焊接应力，在有腐蚀介质的环境和应力的联合作用下优先腐蚀，从而导致应力腐蚀开裂。

保温层下腐蚀

引起保温层下腐蚀的原因：

1、保温层材料具有很大的表面积和丰富的毛细管，具有很强的吸水能力，一旦保温层结构不完善或损坏，导致雨水侵入，就会使设备金属表面形成水膜而发生腐蚀。

2、保温材料大多是由矿物质加工而成，含有大量的无机盐，以及氯化物、氟化物、硫化物等有害成分。保温材料中含有的这些腐蚀介质，加速了水对金属表面的均匀腐蚀。特别是保温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蚀性成分，不仅加速了均匀腐蚀，也会引起局部腐蚀，乃至应力腐蚀开裂。

3、大气的存在

腐蚀介质和保温材料吸收水分形成的电解质溶液，为金属的电化学腐蚀创造了必要条件。由于保温材料的覆盖率程度不同，在保温层的完好处的氧供给困难，形成缺氧区，而保温材料破损的部位氧的供给充足，这样两个靠近的区域形成了氧浓差电池，构成了电化学腐蚀。

4、奥氏体不锈钢则多为外应力腐蚀开裂和点蚀。

复合硅酸盐和超细玻璃棉离子含量最高，不能用于奥氏体不锈钢管道或设备的保温，该容器的保温层正是采用了复合硅酸盐，易发生外应力腐蚀开裂。

防止裂纹产生的措施

正确选择焊接材料

根据奥氏体不锈钢焊接的主要问题、无论手工电弧焊、埋弧焊熔化极或非熔化极氩弧焊接时，都必须首先从焊接材料（主要焊条、焊丝）上选择，尽量消除或减弱由于下述三方面问题的影响：

1、选用超低碳焊丝（焊条）

因为焊缝含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大，所以，尽量降低焊缝金属的含碳量，是提高焊缝耐晶间腐蚀能力的一个途径。当奥氏体中溶解的碳小于等于0.03％时不会析出碳化铬，所以一般把焊丝中含碳量小于等于0.04％，定为超低碳焊丝的标准。采用超低碳焊丝，这样由碳化铬析出而引起的贫铬问题得到了控制，自然就提高了焊缝抗晶间腐蚀的能力。

2、在焊丝（焊条）中加入稳定化元素

由于钛（Ti）、铌（Nb）等亲碳能力强，因而，在焊丝中添加这些元素后，在450℃～ 850℃加热时，奥氏体不锈钢中的碳，将优先与钛、铌形成化合物，避免了碳与铬形成化合物而引起晶界处奥氏体局部贫铬的问题，从而保证了焊缝的晶间腐蚀能力。钛的加入量与含碳量有关，一般应符合Ti ／（C-0.02）＞ 8.5 ～ 9.5 的关系。

3、使焊缝获得双相组织

合金元素对金属组织的影响可分两大类：一类是奥氏体促进元素，如镍、氮、铜、钴、碳、锰等；另一类是铁素体促进元素，如铬、钼、钒、硅、钛、铌等。因而，在奥氏体不锈钢焊材中加入适量铁素体促进元素，可获得奥氏体十铁素体的双相组织。用双相组织可以提高焊缝耐晶间腐蚀能力，可以提高焊缝的抗热裂能力，少量的铁素体可以细化晶粒，打乱柱状晶体的方向和防止杂质的聚集。另外，铁素体还比奥氏体能溶解更多的杂质、从而可以减少偏析，这些都对抗热裂能力有利。

4、控制硫、磷含量。选用硫、磷含量低的焊接材料，严格控制焊缝中硫、磷含量不应高出母材的硫、磷含量。

5、降低含硅量，适当增加锰、钼含量。

优化焊接工艺

1、控制焊接加热温度和时间，加快焊缝的冷却速度。

加热温度和时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响，产生晶间腐蚀的敏化温度区在450℃～ 850℃之间。当加热温度低于450℃时，无法生成碳化铬，当加热温度高于850℃时，铬在晶粒内的扩散能力增强，不会在晶界形成贫铬区。因此不锈钢焊接接头在“危险温度区”停留的时间越短越好。新焊接时电流不易过大，焊接速度要快，焊接后应迅速冷却，可以采取在焊件背面浇水进行快速冷却。（由于奥氏体不锈钢冷却过程中没有马氏体转变，所以快速冷却不会出现淬硬现象。）

2、采用小的线能量

在相同的焊接条件下，焊接电流应比普通碳钢、低合金高强钢小10％～ 20％。

3、采取拖焊法，焊条不准作横向摆动

焊接要注意的其它问题

1、避免飞溅

2、禁止随便到处乱打弧

3、焊缝表面应光洁，无凹凸不平现象，残渣彻底除净

4、接触腐蚀介质的焊缝根部，禁止预留垫板或锁边，要保证焊透

5、焊接电缆卡头在工件上要卡紧，以免发生打弧或过烧现象

6、接触介质的焊缝应在最后焊接

7、焊缝交接处要错开

8、有可能时接头背面（焊管子时为内壁）也要加氩气保护，以保证背面成形并防止氧化