加氫反應(yīng)器中不銹鋼堆焊層鐵素體含量的測定

毛明志（廣西區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗院 廣西 530001）

引言

石油化工方面所使用的壓力容器及容器配件，多是不銹鋼焊接或不銹鋼復(fù)層、堆焊制成。這樣焊接裂紋，耐腐蝕性和熔敷金屬的脆化性就影響著產(chǎn)品使用性能和壽命。通常情況下，裝載不同介質(zhì)的容器的不銹鋼堆焊層要求控制不同的鐵素體含量。從抗腐蝕性能來說，一般介質(zhì)中鐵素體含量在8%為適宜，另外從機(jī)械性能的角度來說，特別在高溫下工作的焊縫，以小于5%為宜，否則將產(chǎn)生不銹鋼內(nèi)部組織的脆化，致使產(chǎn)品的出現(xiàn)焊縫開裂等問題。加氫工藝主要分為加氫精制、加氫脫硫和加氫裂化等幾種，采用這些工藝的主要目的是改變油品性質(zhì)、降低油品中的硫含量以及調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。煉油廠中的加氫反應(yīng)器中不銹鋼堆焊層是反應(yīng)器抗腐蝕中重要的一個工藝，由于加氫裝置操作溫度為300-500℃操作壓力為8-18MPa，而介質(zhì)中的氫氣分壓很高，并且伴隨有H2S腐蝕，因此，不銹鋼堆焊層對于加氫反應(yīng)器來說有尤為重要。

一、奧氏體不銹鋼相與鐵素體相

奧氏體不銹鋼與鐵素體相奧氏體相是碳溶于α-Fe中所形成的面心立方晶體間隙固體，其塑性很好，強(qiáng)度較低，具有一定韌性。鐵素體相是碳溶于α-Fe的體心立方晶格間隙固溶體，相對于奧氏體相，鐵素體相強(qiáng)度較高，塑韌性較低。奧氏體不銹鋼是指在常溫下具有穩(wěn)定奧氏體相的不銹鋼，主要含Cr，Ni，c元素。

奧氏體不銹鋼具有高韌性和塑性、較好的耐腐蝕性能和加工性能，因此在加氫反應(yīng)器中得到大量的使用。如果奧氏體不銹鋼中各種合金元素成分控制合適，且經(jīng)過固溶熱處理，基本上可以獲得單一的奧氏體相。但實際產(chǎn)品中，由于鐵素體相穩(wěn)定化元素(如Cr)的作用，或奧氏體相形成元素(如Ni)的含量不夠高，同時受加工工藝的影響，則常溫下主要是奧氏體相，另一小部分則是鐵素體相，即在奧氏體不銹鋼組織中仍會存在一定數(shù)量的鐵素體相。鐵素體相的含量主要取決于奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分，特別是Cr、Ni當(dāng)量的影響，同時氮(N)也是奧氏體不銹鋼組織鐵素體含量的重要影響元素。

在凝固結(jié)晶過程中生成并保留至常溫的鐵素體相的形態(tài)及數(shù)量會顯著影響到奧氏體不銹鋼組織的各種性能 (如力學(xué)性能、熱加工性能、焊接性能等)。其中有利的影響有：鐵素體相的增加提高奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度；減小奧氏體不銹鋼焊接產(chǎn)生熱裂紋的傾向；強(qiáng)化鑄造奧氏體不銹鋼等。不利的影響有：鐵素體相的增加降低奧氏體不銹鋼的延塑性、增大奧氏體不銹鋼鍛件熱加工裂紋產(chǎn)生傾向、使其耐點蝕性能下降、鐵素體相在高溫下長時間加熱會轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁嗍逛撟兇嗟萚1]。

二、不銹鋼堆焊層中鐵素體的控制

CrMo鋼雖然有很好的抗氫性能，但當(dāng)使用溫度超過250℃時就無法抗H2S腐蝕，因此為了避免高溫高壓下H2S腐蝕和硫酸腐蝕，在加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)壁堆焊兩層奧氏體不銹鋼，即雙層不銹鋼金屬結(jié)構(gòu)。堆焊第一層（過渡層）為TP309L，第二層（表面層）為TP347L，堆焊厚度一般不小于3mm。不銹鋼堆焊層金屬若為單相奧氏體組織，則容易產(chǎn)生高溫裂紋，因此要求熔敷金屬由奧氏體和鐵素體兩相組織構(gòu)成。但鐵素體過多也有不利的一面，即熱處理中鐵素體會轉(zhuǎn)變?yōu)棣蚁啵苟押笇哟嗷?。因此鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)通?？刂圃?%-7%。鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%時，鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在5%-10%質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高或較低時都會造成鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高[2]。

三、鐵素體含量的測定方法

3.1、金相測量法：

金相測量法是將焊接部位通過取樣，磨制、拋光、腐蝕后在顯微鏡下進(jìn)行觀察。根據(jù)GB/T1954-2008的規(guī)定[3]，焊縫金屬必須是從產(chǎn)品所帶供檢驗用的試板至少取6個金相試樣，取樣的尺寸、部位見圖1

試樣觀測面按常規(guī)金相進(jìn)行研磨和拋光，機(jī)械拋光要求不存在金屬表面紊亂層的光潔鏡面為合格，電解拋光則以得到無任何磨痕和不破壞鐵素體的完整性為準(zhǔn)。拋光完成后，用化學(xué)法或電解侵蝕法來顯示其鐵素體，最后在顯微鏡下進(jìn)行測量。測量的方法有2種：割線法和圖譜比較[4]法見圖2。一般以割線測量法為準(zhǔn)，圖譜比較法屬半定量分析，只能給出鐵素體含量的大概范圍。

金相法可通過顯微鏡直觀地觀察到鐵素體的分布，其含量。但在制樣方面要求嚴(yán)格，尤其是在試樣的拋制過程，要花費很長的時間，反復(fù)操作，才可以達(dá)到良好的觀測效果，在試樣的電解、侵蝕過程要把握好時間，溫度和電流的影響，否則觀測效果不好。

3.2、saeffler圖計算法

schaeffler圖稱舍夫勒組織圖是表征不銹鋼焊縫金屬的化學(xué)組成(不計氮元素)與組織的定量關(guān)系圖。是舍夫勒(sehaeffler)根據(jù)不銹鋼手工電弧焊的焊縫組織實測統(tǒng)計繪成的組織圖(1949年)。利用此圖，可依據(jù)熔數(shù)金屬的化學(xué)組成推算出焊縫金屬的相組織及鐵素體量。

組織圖中，縱坐標(biāo)用Nicq(鎳當(dāng)量)表示，鎳當(dāng)量是 反映不銹鋼焊縫金屬組織奧氏體化程度的指標(biāo)。其量 值是根據(jù)焊縫金屬組織中包含的奧氏體元素(如鎳，碳，錳等)，按其奧氏體化作用的強(qiáng)烈程度折算成相當(dāng)于若干個鎳之總和;橫坐標(biāo)用Creq(鉻當(dāng)量)來表示，鉻當(dāng)量是反映焊縫金屬組織的鐵素體化程度的指標(biāo)，其量值是根據(jù)參與焊縫組織中的鐵素體化元素 (如鉻，鋁，硅，鈮等)，按其鐵素體化作用的強(qiáng)烈程度，折算成相當(dāng)于若干個鉻之總和。

一般操作過程是將產(chǎn)品的焊縫進(jìn)行取樣后，進(jìn)行主要的化學(xué)分析成分分析，然后按照以下二個公式分別計算出鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量。

Ni當(dāng)量＝Ni%+C30%+Mn0.5%

Cr當(dāng)量＝Cr%+Mo%＋Si1.5%＋Nb0.5%

最后根據(jù)鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量的值在saeffler圖中查出鐵素體的含量。該測量方法適用于無金相試驗和儀器測量的情況，化學(xué)元素分析好掌握，相對計算不復(fù)雜，缺點是從圖表中查到鐵素體含量的數(shù)據(jù)相對來說有些誤差。在對于多臺產(chǎn)品，多焊縫，用此法來測量時，取樣任務(wù)量較大，分析時間長，繁瑣。

3.3、磁性測量法（儀器測量）：

磁性測量法是指儀器測量，磁性測量法在GB/T1954-2008中的解釋為以磁吸引力或?qū)Т怕试淼蔫F素體測量儀器進(jìn)行測量，儀器一般可以稱之為鐵素體測量儀。

在某石化公司檢修時對加氫反應(yīng)器不銹鋼堆焊層的鐵素體含量測定時，采用了德國FISCHER公司進(jìn)口的鐵素體含量測定儀作為檢測工具，此儀器簡單快捷，大大提高了工作效率，抽查了5處堆焊層，包括加氫反應(yīng)器的上封頭、下封頭與筒體，測得不銹鋼堆焊層鐵素體含量為3%-5%，符合要求。

結(jié)語

綜合對加氫反應(yīng)器不銹鋼堆焊層中的鐵素體相的作用和含量限制進(jìn)行的分析，在不銹鋼的使用中，應(yīng)考慮其具體的加工方式、失效機(jī)理和服役環(huán)境條件，掌握鐵素體相的含量調(diào)整原理、測量和計算方法，控制鐵素體相的不利作用，發(fā)揮其有利作用，以保證設(shè)備的質(zhì)量和安全運行。

[1]孫海濤.核電焊接用奧氏體不銹鋼組織中鐵素體相的作用和定量[J].核電焊接專題,2010,10：33.

[2]鄧康.加氫反應(yīng)器材料選用 [J].石油化工設(shè)備,2004,5：33.

[3]GB/T 1954-2008.鎳鉻奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法[s].

[4]GB/T 15749-2008定量金相測定方法[s].