黃志慧，張述旺,戴 婧

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

在原油價(jià)格高企的時(shí)期，出于降低成本的考慮，越來(lái)越多的煉油廠將加工原油轉(zhuǎn)向品質(zhì)較差的高硫高酸原油，設(shè)備的腐蝕問(wèn)題隨之越來(lái)越明顯地暴露出來(lái)。

奧氏體不銹鋼(以下簡(jiǎn)稱不銹鋼)因其優(yōu)良的耐腐蝕性能和良好的加工、焊接性能，用作化工壓力容器設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱設(shè)備或壓力容器)筒體的越來(lái)越多，但由于其價(jià)格昂貴，如非特殊需要，實(shí)際多采用基層為碳鋼、覆層為不銹鋼的復(fù)合鋼板。本文中碳鋼指煉油化工裝置中用的最多、最廣泛的Q245R、Q345R等壓力容器用碳素鋼板。

隨著裝置大型化，壓力容器尺寸越來(lái)越大、壁厚越來(lái)越厚，需要進(jìn)行熱處理的越來(lái)越多，另外一些特殊設(shè)備，如換熱器管箱，也經(jīng)常需要進(jìn)行熱處理，如對(duì)復(fù)合板制上述壓力容器進(jìn)行熱處理，熱處理對(duì)復(fù)合板覆層有沒(méi)有影響？有什么影響以及如何應(yīng)對(duì)？這是本文討論的問(wèn)題。

1 壓力容器的熱處理

廣義上講，焊后熱處理就是工件焊接完畢對(duì)焊接區(qū)域或焊接構(gòu)件進(jìn)行的熱處理，其內(nèi)容包括消除應(yīng)力退火、完全退火、固溶、正火、正火加回火、淬火加回火、回火、低溫消除應(yīng)力、析出熱處理等。狹義地講，焊后熱處理僅指消除應(yīng)力退火，即為了改善焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力等有害影響，對(duì)焊接區(qū)及有關(guān)部位在金屬相變溫度點(diǎn)以下均勻而又充分的加熱，然后又均勻冷卻的過(guò)程。本文所討論的熱處理即指焊后消除應(yīng)力熱處理，主要目的：(部分)消除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、提高抗應(yīng)力腐蝕的能力；改善母材、焊縫及熱影響區(qū)的性能；避免消除制造過(guò)程中的過(guò)量冷卷、冷矯形引起的冷作硬化，恢復(fù)冷成形中降低的屈服強(qiáng)度[1]。

這是常用的碳鋼材質(zhì)容器的熱處理，復(fù)合板壓力容器基層厚度達(dá)到規(guī)定要求時(shí)，也應(yīng)照NB/T 47015-2011規(guī)定執(zhí)行，這是沒(méi)有任何問(wèn)題的，但應(yīng)注意復(fù)合板有其特殊性，碳鋼基層和覆層不銹鋼是兩種不同類型材質(zhì)。

2 不銹鋼及其熱處理

前述是關(guān)于碳鋼(基層)的熱處理，GB/T150.4中關(guān)于不銹鋼的熱處理：

“8.2.4 當(dāng)需要對(duì)奧氏型體不銹鋼、奧氏體-鐵素體型不銹鋼進(jìn)行熱處理時(shí)，按設(shè)計(jì)文件規(guī)定”。

“8.2.5 除設(shè)計(jì)文件另有規(guī)定，奧氏體型不銹鋼、奧氏體-鐵素體型不銹鋼的焊接接頭可不進(jìn)行熱處理”。

也就是標(biāo)準(zhǔn)對(duì)是否需要進(jìn)行熱處理，交給了設(shè)計(jì)人員決定。

不銹鋼熱處理應(yīng)該從它的耐蝕性能說(shuō)起。

2.1 不銹鋼的耐蝕性能

鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比氫小，為負(fù)值，在鐵基固溶體中鉻的含量超過(guò)12%(重量比)時(shí)，其電極電位由-0.56V躍增至+0.2V，材料發(fā)生鈍化，具有了抗一般介質(zhì)腐蝕的性能，鉻含量在12%～14%之間稱為不銹鋼，鉻含量在16～18%耐腐蝕更強(qiáng)的鋼稱為耐酸鋼，通常統(tǒng)稱為不銹鋼[4]。

2.2 不銹鋼的晶間腐蝕

不銹鋼中的Cr元素是使鋼具有耐蝕性，C元素使鋼的強(qiáng)度增加，正常狀態(tài)下C和Cr在不銹鋼中是呈固溶態(tài)均勻分布的。在450～850℃范圍內(nèi)緩慢冷卻時(shí)，不銹鋼中C和Cr就會(huì)形成復(fù)雜的高鉻碳化物Cr23C6從奧氏體中析出而分布在晶界上，使晶界附近的含鉻量低于鈍化必須的的限量(即12%的Cr)，在晶界形成貧鉻區(qū)，鈍態(tài)受到破壞，晶間區(qū)域電位下降，而晶粒本身仍維持電位較高的鈍態(tài)，在腐蝕介質(zhì)的作用下，晶界處就容易出現(xiàn)腐蝕，即晶間腐蝕。

晶間腐蝕是鉻鎳不銹鋼容器最常見的失效形式。晶間腐蝕使材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性能完全喪失，且從外觀上不易覺(jué)察，所以，全不銹鋼材質(zhì)設(shè)備會(huì)突然破壞，它的危害性很大；如果是復(fù)合板容器，一旦覆層不銹鋼耐蝕性能喪失，腐蝕就會(huì)從晶界開始發(fā)展成裂紋，介質(zhì)穿過(guò)裂紋很快就會(huì)接觸到基層碳鋼，對(duì)碳鋼造成腐蝕，而且碳鋼抗腐蝕性能較不銹鋼差，腐蝕進(jìn)程會(huì)很快，直接影響壓力容器的安全。

2.3 不銹鋼的熱處理及鋼板交貨熱處理狀態(tài)

為了保證不銹鋼的耐蝕性能，需要將奧氏體不銹鋼加熱到1100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)，這就是對(duì)不銹鋼進(jìn)行固溶處理。所以，GB/T 24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼板和鋼帶》中規(guī)定[5]，不銹鋼的熱處理交貨狀態(tài)為“1040℃水冷或其它方式快速冷卻”，即固溶熱處理，目的是使不銹鋼中的Cr、C元素均勻地分布在鋼中。

3 復(fù)合板壓力容器熱處理問(wèn)題

GB/T150.4中規(guī)定：“8.2.6.6復(fù)合鋼板容器及其受壓元件熱處理時(shí)，應(yīng)采取措施保證容器(特別是覆層材質(zhì)性能)滿足使用要求”[2]。

前文中已經(jīng)提到：碳鋼壓力容器焊后熱處理溫度為600～680℃，最短保溫時(shí)間與厚度有關(guān)，最少15min多則2小時(shí)以上，延長(zhǎng)保溫時(shí)間有利于焊接殘余應(yīng)力的消除。從容器熱處理溫度可以看出，PWHT熱處理溫度在不銹鋼敏化溫度(450～850℃)范圍內(nèi)，熱處理時(shí)不銹鋼存在形成高鉻碳化物的可能，將會(huì)發(fā)生晶間腐蝕。這就是GB/T 150.4中沒(méi)有明確規(guī)定復(fù)合板容器如何進(jìn)行熱處理的原因。

固溶熱處理可以使高鉻碳化物Cr23C6重新分解出Cr和C，均勻分布于不銹鋼中，那可否對(duì)復(fù)合板壓力容器在PWHT后再進(jìn)行固溶處理，或者做固溶處理同時(shí)代替PWHT？

前文提到不銹鋼的固溶熱處理是由1100℃快速冷卻至室溫，一般較小零部件是可以實(shí)現(xiàn)，但是大型的化工壓力容器設(shè)備，或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備，比如管殼式熱交換器，上述的關(guān)鍵工藝參數(shù)難以得到控制，更談不上保證焊后熱處理質(zhì)量。即便處理也往往弄巧成拙，不僅焊縫組織結(jié)構(gòu)未能得到改善，母材組織結(jié)構(gòu)反而可能遭到不應(yīng)有的惡化。另一方面，由于設(shè)備尺寸龐大或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)設(shè)備整體進(jìn)行急冷，實(shí)現(xiàn)起來(lái)是非常困難的，并不像的鋼板或形狀簡(jiǎn)單的封頭那樣可以被快速冷卻。同時(shí)，在超過(guò)1000℃的高溫下，設(shè)備自身質(zhì)量往往也成為其不能承受之重。

4 應(yīng)對(duì)措施

復(fù)合鋼板壓力容器根據(jù)容器基層厚度、按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行PWHT是必須的和毋容置疑的，關(guān)鍵是消除應(yīng)力的同時(shí)要保證覆層材質(zhì)耐蝕性能，可以采用以下幾種措施：

4.1 選用超低碳不銹鋼或穩(wěn)定化元素不銹鋼

超低碳不銹鋼是大幅降低不銹鋼中的碳含量，這樣Cr與C結(jié)合生成Cr23C6的機(jī)會(huì)大大減少，不會(huì)造成晶間貧鉻，常用的超低碳不銹鋼有022Cr19Ni10、022Cr17Ni12Mo2、022Cr19Ni13Mo3。

不銹鋼中穩(wěn)定化元素為Ti和Nb，在鋼中形成較Cr23C6更穩(wěn)定的碳化物TiC或NbC，沒(méi)有游離的C可與Cr形成高鉻碳化物。添加穩(wěn)定化元素不銹鋼主要有06Cr18Ni12Mo2Ti、06Cr18Ni11Nb、07Cr18Ni11Nb，穩(wěn)定化不銹鋼(覆層不銹鋼)應(yīng)進(jìn)行875℃以上溫度的穩(wěn)定化熱處理。此類不銹鋼價(jià)格較貴，選擇時(shí)還應(yīng)綜合考慮。

4.2 選用鐵素體不銹鋼

同樣據(jù)上研究，06Cr13、06Cr13Al等鐵素體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感溫度是950℃，碳鋼熱處理溫度(600～680℃)達(dá)不到此敏化溫度，可以進(jìn)行正常的消除應(yīng)力熱處理。

4.3 熱處理工藝措施

有研究表明[6]，奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感溫度為650℃，降低熱處理保溫溫度避開敏化溫度，但應(yīng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》中有相關(guān)規(guī)定。

此研究只進(jìn)行了幾個(gè)溫度點(diǎn)，對(duì)不同溫度和不同材質(zhì)不銹鋼是否都普遍適用，還有待后續(xù)研究。

4.4 其它需要注意的問(wèn)題

除熱處理外，容器最重要的制造步驟--焊接，是一個(gè)熔煉過(guò)程，焊接時(shí)的熱量足以使焊縫及熱影響區(qū)達(dá)到1000℃以上高溫，如果條件充足，也有可能形成高鉻碳化物，焊接線能量越大影響范圍越大，特別是厚壁容器在進(jìn)行自動(dòng)焊時(shí)；因此，焊接應(yīng)該采用小電流、多道焊，輔以澆水快速冷卻，或者焊絲、焊條采用低碳型或含穩(wěn)定化元素Ti和Nb的焊條。

復(fù)合板設(shè)備上的開口接管、法蘭通常選用與覆層同材質(zhì)不銹鋼，或者采用同材質(zhì)整體不銹鋼鍛件，前述的問(wèn)題同樣存在，宜應(yīng)同時(shí)加以考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

不銹鋼復(fù)合板可以有效地減緩腐蝕、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行；作為壓力容器設(shè)計(jì)來(lái)講，并非簡(jiǎn)單選用復(fù)合板就萬(wàn)事大吉，應(yīng)該考慮鉻鎳奧氏體不銹鋼復(fù)合板容器在制造過(guò)程中可能形成的晶間腐蝕隱患，并加以消除，一旦產(chǎn)生則難以通過(guò)熱處理方式徹底消除，實(shí)際操作不太可能實(shí)現(xiàn)。所以，針對(duì)具體的腐蝕環(huán)境和腐蝕機(jī)理，選擇更適合的不銹鋼復(fù)合板，采用正確的焊接方法，恰當(dāng)組合上述幾種防止和控制措施，才能取得好的效果。