江苏省特种设备安全监督检验研究院直属分院 江苏南京 210036
摘要：对于高温、高压、临氢装置的TP321（国内为06Cr18Ni11Ti）奥氏体厚壁不锈钢钢管，由于其运行环境的特殊性，管道焊缝很容易产生晶间腐蚀，为了提高焊缝的抗高温腐蚀性能，焊后应进行稳定化热处理的工艺。本文对厚壁不锈钢管道焊缝稳定化热处理问题进行探讨，通过工艺评定和工程实践，成功解决了焊缝腐蚀问题。
关键词：TP321厚壁不锈钢；应力腐蚀；晶间腐蚀；稳定化热处理
1.前言
目前许多运行环境为高温、高压、临氢环境的炼油装置（例如加氢裂化装置），经常采用TP321奥氏体不锈钢钢管作为配管，部分厚壁管线壁厚可达70mm,因此热处理施工周期相应延长，对操作人员要求相应提高。对管道施工技术要求更高、焊道焊接质量控制更严格。
2.稳定化热处理
2.1热处理概念
热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到常温的一种热加工工艺，焊后热处理（PWHT）概念即由此衍生。奥氏体不锈钢中，为避免碳与铬形成高铬碳化物，通常加入稳定化元素（如Ti和Nb），稳定化热处理即为对含稳定化元素的奥氏体不锈钢采用的焊后热处理方法，其机理是将焊缝及周围加热到875℃以上，继而形成稳定的碳化物（由于Ti和Nb 能优先与碳结合，形成TiC或NbC），大大降低了奥氏体中固溶碳的含量，从而起到了牺Ti和Nb保Cr的作用。经过稳定化热处理的奥氏体不锈钢，具有更好的综合机械性能。
2.2稳定化热处理的目的
在描述目的之前，我们先探讨一下奥氏体不锈钢典型的腐蚀机理。临氢不锈钢系统中，高温高压环境下，分子氢或者硫化氢在与管道接触过程中与铁作用所产生的H2发生部分分解，转化为原子氢或离子氢，并通过金属晶格向钢内扩散，与钢中的不稳定碳化物发生化学反应，生成甲烷气泡，甲烷气泡在晶间空穴和非金属夹杂部位聚集，而甲烷在钢中的扩散能力很小，聚集在晶界原有的微观空隙内，形成局部高压，造成应力集中，使晶界变宽，并发展成为裂纹，开始裂纹是很微小的，但随着时间变化，无数裂纹相连，引起钢的强度、延展性和韧性等材料力学性能下降与裂化，在外加应力或残余应力作用下发生晶间断裂[1]。同时，不锈钢焊接接头存在晶间腐蚀，目前，普遍被认可的是“贫铬理论”，即奥氏体不锈钢焊接接头处在450~850℃敏化温度区间内，焊接的快速连续加热过程使金属晶粒内部过饱和固溶的碳原子逐步向晶粒边缘扩散，与晶粒边缘层的铬原子结合而成高铬碳化物Gr23C6，并沿晶界沉淀析出。由于铬原子的扩散速度要比碳原子的扩散慢得多，来不及补充形成碳化物所消耗的铬，当铬含量降至耐腐蚀性界限之下，此时晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能，产生晶间腐蚀，严重时能变成粉末[3]。加氢装置中的H2腐蚀与晶间腐蚀是管道、设备系统材料最严重的腐蚀类型。
所以，稳定化热处理的目的是要将Gr23C6溶解，使碳与钛或铌生成更稳定的碳化物，这样就降低了碳的活性，从而不给分子氢分解后与不稳定碳化物发生化学反应的机会，提高了钢材高温抗氢腐蚀的能力；同时把铬从其碳化物中释放出来，使铬在此温度下，有相当的时间向贫铬区扩散，使晶界的铬均匀分布，消除贫铬区的出现，避免了腐蚀倾向。
焊缝上的晶间腐蚀通常在多层多道焊的情况下出现，前一焊道金属受到后道焊接的热影响而处于敏化温度的区间，出现贫铬的区域，增加了在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的可能性。因此稳定化热处理在厚壁不锈钢管道焊接中就显得更为必要了。
需要注意的是稳定化热处理的同时也在进行着消除焊接残余应力行为，因为应力的降低起因于高温下的蠕变（具体可参阅相关普通焊后热处理（PWHT）工艺，在此不进行详细论述）。
2.3工艺流程及参数
施工工艺参数及流程注意事项：
1）挡雨的遮盖物准备齐全。
2）热处理设备应经检查合格，温度指示、记录仪表及热电偶校验准确。
3）热处理前应该清理管道焊缝及其周围区域的表面油污、灰尘及其水分，以保证电偶线的焊点牢固及热处理加热片或加热丝加热的均匀性。
4）如对不锈钢管线焊口进行标识，必须采用专用的不锈钢记号笔进行标记，以防止渗碳。同时注意热处理过程中的打磨均要采用不锈钢专用的砂轮片。
5）由于稳定化热处理恒温温度较高（达到900℃），灵敏度要求高，同时考虑经济成本控制，所以TP321不锈钢热处理宜使用K型热电偶。
6）为保证热电偶温度记录的准确性，热处理前只能用电容式点焊仪将电偶线进行点焊以使热电偶牢固接触焊道，焊道要打磨平整，并且偶线头不能直接接触加热器，应该用热电偶泥将其隔离，电偶泥应均匀的贴紧焊点，以对电偶点起保护作用。
7）电偶线裸露在保温棉外的长度不得小于0.5m.
10）为了避免穿堂风对热量的损耗，保证管道焊缝良好地加热，管道两端应该用保温棉封堵其管口。
11）对于体积较大及沉重的管配件，为了避免高温下的管道变形，应该添加临时支架进行支撑。同时法兰口要注意对法兰面的防氧化保护，其中涂抹二硫化钼是比较经济又达标的施工方法。如图：
12）恒温结束后应立即断电，拆开保温棉，使焊缝空冷到室温。
13）冷却完成后电偶焊点要注意打磨平滑干净，保证焊缝清洁。
14）管道直径与点偶数要求，应采用以下规定：
14.1）0≤Φ≤305mm（12寸及其以内）采用1个电偶；
14.2）305＜Φ≤610mm（大于12寸及小于等于24寸）采用2个电偶；
14.3）Φ＞610mm（大于24寸）采用4个电偶。
*施工过程中，具体电偶数还要根据加热区域的多少进行增减，电偶使用数量的多少取决于加热区域的多少。
15）TP321不锈钢热处理的升温速率、恒温时间有如下规定：
15.1）300℃以下不控制速率，但为了保证厚壁管道焊缝的加热均匀，应该采用较低的升温速率。
15.2）300℃以上，对于25.4mm厚度以下的管道，升温速率最大不能高于222℃/H,对于超过25.4mm厚度的管道采用附表1中的升温速率。
15.3）升温温度要求达到的温度是900℃，且允许的温度误差范围是±15℃。
15.4）恒温时间是4HR.
注意：*任何壁厚情况下，加热过程中在300℃以下时不控制速率但一般保持在110℃~120℃/小时之间。以上附表中升温参数可能有微小变化，但都在ASME 第二部分章节允许范围内。
*高压厚壁管道上的对焊加强管接头由于主管壁厚偏高，分支管与主管壁厚相差悬殊，为保证升温和恒温的稳定，加热丝或加热片需将焊道周围主管和分支管全部缠绕，加热速率取决于主管壁厚，而非分支管壁厚。
在加热丝和加热片的材料选用方面，确保材料特性符合900℃高温以及超长时间恒温需要。在准备工作中对所用加热片及加热丝严密排列做到不重叠、无间隙，使热影响区受热均匀，保证加热过程中加热元件不断裂。采取内层保温棉、外层保温被的包裹方式进行焊道敷裹，采用不锈钢丝紧固，确保在升温及恒温过程中焊道温度达到要求。对于管段长度较短的焊口采取管子内外壁同时保温的方式，避免流通空气对温度产生影响。
3.稳定化热处理应注意的一些问题
首先要注意奥氏体不锈钢稳定化热处理加热温度的合理选择，在奥氏体不锈钢的材料标准中，规定的固溶化加热温度范围较宽，实际热处理产生时，可考虑钢的具体成分、含量、使用环境、可能失效形式等因素，合理地选择最佳加热温度，一般是选择在850℃~930℃之间。
其次奥氏体不锈钢不宜进行多次稳定化热处理，因为多次固溶加热，会引起晶粒长大，给材料性能带来不利影响。这也是为何热处理过程中要特别注意防止加热丝断裂而进行多次热处理，不仅浪费时间，也会给管材造成伤害。
然后应注意稳定化热处理对固溶状态性能的影响，含稳定化元素的奥氏体不锈钢，稳定化热处理时，会使机械性能有下降的趋势。强度和塑性、韧性均有这个现象。强度下降的原因，可能是稳定化热处理时，强碳化物形成元素钛与更多的碳结合成TiC，减少了碳在奥氏体固溶体中的强化程度，并且，TiC在加热保温过程中也会集聚长大，这也会对强度产生影响。
4.结语
热处理过程质量控制对保证石油化工以及其他工业装置中的压力管道工程质量有起着非常重要的作用，特别是对某些高温、高压且采用不锈钢管材的装置，在投用后质量能否达到相关标准和规范要求，能否保证装置的安全运行等都具有重大影响，因此在施工过程中需要非常重视此工序。
参考文献：
[1] 加氢裂化装置技术问答.中国石化出版社.2006.金德浩，刘建晖，申涛.
[2] 加氢裂化装置操作指南.中国石化出版社.2005.李立权
[3] 不锈钢焊接.机械工业出版社 .2001.张其枢，堵耀庭.
[4] 《消除大型厚工件焊接热应力的简易方法》.制造技术与工艺 吴金福等
[5] TP321不锈钢临氢管道焊接探讨[J]．化工设备与管道 赵珍祥．
论文作者:严付平
论文发表刊物:《防护工程》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/31
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