分析加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋的成因與對使用的影響

張林 苗俊軍 李松山（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266000）

分析加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋的成因與對使用的影響

張林 苗俊軍 李松山（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266000）

在本案，筆者結(jié)合相關(guān)知識，簡要分析加氫反應(yīng)器雙層堆焊層裂紋產(chǎn)生的原因及其對加氫反應(yīng)器使用的影響。其中，裂紋的成因涉及熱應(yīng)力、氫脆和σ相轉(zhuǎn)變的影響。鑒于基材的斷裂韌性較高，則堆焊層裂紋難以向其延伸，因此不會對加氫反應(yīng)器的正常使用造成不良影響。

加氫反應(yīng)器；雙層堆焊層；裂紋

加氫反應(yīng)器是加氫裝置和加氫工藝過程的核心設(shè)備，由于需要長期在高壓、高溫的臨氫條件下工作，奧氏體不銹鋼堆焊層易發(fā)生裂紋。一般而言，加氫反應(yīng)器采用的是雙層堆焊，其中基材選用2.25CrlMov或2.25CrlMo；第一層（與基材的過渡層）、二層（表層）分別選用TP309和TP347。據(jù)此，筆者首先分析加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋的成因，然后再簡要分析其對加氫反應(yīng)器使用的影響。

1 加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋的成因

研究發(fā)現(xiàn)，加氫反應(yīng)器堆焊層產(chǎn)生裂紋的原因主要包括σ相轉(zhuǎn)變、熱應(yīng)力、集中應(yīng)力、氫脆等，具體分析如下：

1.1 σ相轉(zhuǎn)變

按照規(guī)定，應(yīng)將一定比例的鐵素體加入奧氏體不銹鋼堆焊層中，以防在焊接過程中，奧氏體不銹鋼發(fā)生熱裂紋。但在高溫條件下，鐵素體的σ相會發(fā)生轉(zhuǎn)變，并引起堆焊層脆化。其中，在臨氫環(huán)境下，堆焊層的斷后伸長率將＜10%，這明顯低于規(guī)范要求的＞18-22%。在普通工程中，區(qū)分韌性與塑性材料的標(biāo)準(zhǔn)為斷后伸長率為5%。據(jù)此可知，在臨氫環(huán)境下，堆焊層的性能與脆性材料較為接近。

1.2 氫聚積

比較發(fā)現(xiàn)，在奧氏體不銹鋼堆焊層中，飽和氫的濃度比母材大，但其擴(kuò)散系數(shù)比母材小。其中，在正常條件下，母材的氫濃度遠(yuǎn)比TP309和TP347堆焊層低。但在停工條件下，母材的氫擴(kuò)散速度比堆焊層快，這將加大母材與堆焊層氫濃度的差距，其中堆焊層的氫濃度超過母材10倍以上，這極大的提高了堆焊層脆性開裂的幾率。

1.3 熱應(yīng)力

研究發(fā)現(xiàn)，加氫反應(yīng)器堆焊層材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)比母材低，但其熱膨脹系數(shù)卻比母材大，則加氫反應(yīng)器在開工時(shí)，溫升將增大Cr-Mo鋼母材與奧氏體不銹鋼的膨脹差，其中在400℃條件下的膨脹差為1.676mm/m。加氫反應(yīng)器在工作條件下，飛溫的出現(xiàn)會增大膨脹差，此時(shí)堆焊層應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生的熱應(yīng)力較高；在停工條件下，母材的降溫速度明顯比堆焊層快，則堆焊層應(yīng)用集中區(qū)產(chǎn)生的熱應(yīng)力也較高。針對這些區(qū)域的堆焊層，應(yīng)力與熱應(yīng)力的集中將會引起屈服和屈服應(yīng)變現(xiàn)象，并進(jìn)一步引發(fā)疲勞應(yīng)變；針對堆焊層的應(yīng)力集中區(qū)域，如若加氫反應(yīng)器在嚴(yán)重脆化條件下的開、停工溫變速度過快，則堆焊層將在開、停工次數(shù)一定時(shí)產(chǎn)生裂紋。

2 加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋對使用的影響

綜上所述，加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋是由奧氏體不銹鋼的氫濃度過高及堆焊層中鐵素體σ相轉(zhuǎn)變引起的脆化所致，但基材選用的是2.25CrlMov或2.25CrlMo，因此其不具備產(chǎn)生脆化開裂的條件。在加氫反應(yīng)器堆焊層中，如若裂紋擴(kuò)展至基材與堆焊層的界面，堆焊層表面僅會產(chǎn)生很淺的裂紋，因此只需保證基材的斷裂韌性，便可將堆焊層裂紋終止在界面上。

據(jù)實(shí)驗(yàn)顯示，在不同氫濃度條件下，抗拉強(qiáng)度不同的2.25Cr-1Mo鋼在加氫后的斷裂韌性如圖1所示。

圖1 抗拉強(qiáng)度與K1H的關(guān)系圖

鑒于加氫反應(yīng)器用鋼目前的抗拉強(qiáng)度＜700MPa及其在停工冷卻的條件下，基材的實(shí)際氫濃度≤3ppm，外加2.25Cr-1Mo鋼的潔凈度較先前有所提高，則2.25Cr-1Mo鋼加氫后的斷裂韌性K1H應(yīng)比圖1所示大。在加氫條件下，國產(chǎn)加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo鋼與其焊縫的斷裂韌性較高，則其可防止堆焊層的裂紋擴(kuò)展至基材。

3 結(jié)語

針對加氫反應(yīng)器堆焊層裂紋的成因及其對使用的影響，建議從如下方面來應(yīng)對處理：①鐵素體數(shù)FN取3-10，更嚴(yán)格時(shí)可限制在FN為8，通過金相檢測來篩除網(wǎng)狀鐵素體組織，從而控制堆焊層在無熱裂紋時(shí)發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變；②先進(jìn)行最終熱處理，再堆焊高應(yīng)力區(qū)的TP347，以免其在熱處理中發(fā)生σ相轉(zhuǎn)變；③盡量在結(jié)構(gòu)斷續(xù)處進(jìn)行圓角過渡，并通過增大轉(zhuǎn)角的半徑來防止應(yīng)力過度集中；④穩(wěn)定操作，以減少熱應(yīng)力交變載荷在工作溫度波動時(shí)的循環(huán)次數(shù)及控制溫度在開、停工時(shí)的溫度變化速率，同時(shí)將熱應(yīng)力降至最低水平；⑤在停工條件下，在300-350℃溫度下進(jìn)行保溫，從而完全釋放用鋼中的氫；⑥計(jì)劃性地進(jìn)行緊急停工，減少不必要的開停工；⑦加氫反應(yīng)器催化劑床層的壓降不得過大，防止氫擴(kuò)散至堆焊層。總之，雖然加氫反應(yīng)器堆焊層的裂紋不會對其使用造成影響，但對其進(jìn)行有效控制可明顯提高加氫反應(yīng)器的使用效果，并提升反應(yīng)器使用壽命，值得重視。

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