抗硫化氫腐蝕碳鋼的焊接

1、躲管渡恭石油化工設(shè)計(jì)PetrochemicalDesign抗硫化氫腐蝕碳鋼的焊接曹國俊(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)摘要：介紹了濕硫化氫環(huán)境中鋼材的腐蝕種類及破壞機(jī)理、誘發(fā)硫化氫腐蝕的因素、抗硫化氫腐蝕鋼材的選用原則和基本要求；從抗硫化氫腐蝕碳鋼的焊材選用和焊接工藝要求這兩方面進(jìn)一步做了說明，特別針對抗硫化氫腐蝕碳鋼的焊接問題，給出了一種低硫磷、高韌性、抗氫致硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋用的鋼焊絲產(chǎn)品，該產(chǎn)品經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)抗HIC、S

2、SC檢測和金相試驗(yàn)測試以及在工程中的實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明完全能滿足抗硫化氫碳鋼焊接的特殊要求。關(guān)鍵詞：抗硫化氫腐蝕氫致開裂焊接在石化行業(yè)中，碳鋼大量用于含濕硫化氫介質(zhì)的設(shè)備及管道的制造。怎樣采取有效措施提高碳鋼設(shè)備及管道的抗硫化氫腐蝕能力以及合理的選用焊材，對于提高設(shè)備和管道的安全運(yùn)轉(zhuǎn)以及生產(chǎn)效率有著積極意義。1腐蝕種類及機(jī)理J濕硫化氫環(huán)境鋼材腐蝕涵蓋一系列破壞機(jī)理，這些破壞是在酸性工藝環(huán)境中由于充氫作用而引發(fā)的，屬于氫去極化腐蝕。其中H

3、s對腐蝕起著主導(dǎo)作用，水是引起腐蝕的必要條件。鋼在硫化氫溶液中的主要反應(yīng)是：FeH2S=FeS2Hd(1)產(chǎn)生的氫原子吸附于鋼表面，進(jìn)而有兩種可能的反應(yīng)：2Hd：H1(2)2H=2Hb(Fe)(3)式中H為鋼表面上吸附的氫原子；H為鋼中吸收的氫原子。幾種主要的濕硫化氫環(huán)境鋼材腐蝕破壞形式有：1)氫鼓泡(HydrogenBlistering，HB)。在公式(1)、(3)硫化氫腐蝕電化學(xué)反應(yīng)過程中，析出的氫原子向鋼中擴(kuò)散，在鋼材的非金屬夾雜

4、物、分層以及其他不連續(xù)等易聚集處形成氫分子，由于較大的氫分子難以從鋼的組織內(nèi)部逸出，因此積聚巨大的內(nèi)壓致使周圍組織屈服，從而形成表面層下的平面孔穴結(jié)構(gòu)，這個(gè)現(xiàn)象稱為氫鼓泡。其特點(diǎn)：發(fā)生時(shí)無需外力，與材料中的夾雜物等缺陷相關(guān)且分布于鋼材表面，屬于不可逆氫脆。2)氫致開裂(HydrogenInducedCracking，HIC)。不同層面上的相鄰的氫鼓泡裂紋，在氫氣壓力的作用下，相互連接形成階梯狀特征的內(nèi)裂紋稱為氫致開裂。其特點(diǎn)：發(fā)生時(shí)與拉

5、應(yīng)力和殘余應(yīng)力無關(guān)，裂紋大多與鋼材的軋制方向平行。其產(chǎn)生主要受鋼材的結(jié)構(gòu)成分的影響(鋼材組織含雜質(zhì)越多，氫致開裂的可能性越大)。3)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂(SulfideStressCracking，SSCC)。濕硫化氫環(huán)境中，在拉應(yīng)力或殘余應(yīng)力和腐蝕共同作用下造成的金屬開裂稱為硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。它是氫致開裂的一種形態(tài)，是由于鋼材吸收硫化物在金屬表面腐蝕后產(chǎn)生的氫原子滲入鋼的內(nèi)部固溶晶格中而造成的。其特點(diǎn)：受外部應(yīng)力或殘余應(yīng)力的影響且裂紋

6、一般沿壁厚方向排列。材料對SSCC的敏感性主要與強(qiáng)度(用硬度表示)有關(guān)，強(qiáng)度受化學(xué)成分、熱處理和顯微組織的影響。一般來說，硬度高的材料具有高的SSCC敏感性。收稿日期：2013—03—08。作者簡介：曹國俊，男，2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化工設(shè)備與機(jī)械專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，從事管道材料的設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：010—84878791；E—mail：caognojunsei@sinopectom34石油化工設(shè)計(jì)2013年第3期(第30卷

7、)應(yīng)力集中，產(chǎn)生局部拉應(yīng)力，在含硫化氫介質(zhì)作用下誘發(fā)硫化物應(yīng)力腐蝕開裂。3抗硫化氫腐蝕碳鋼的基本要求1)應(yīng)符合NACEMR01752003(油田設(shè)備用抗硫化應(yīng)力裂紋的金屬材料》和NACEMR0103—2005(腐蝕性石油煉制環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂材料選擇》中的規(guī)定。2)必須是硅鎮(zhèn)靜鋼。3)屈服強(qiáng)度(Re1)小于345MPa。4)碳當(dāng)量CE042％，CE=CMn／6(CrMoV)／5(NiCu)／15，且Ni1％。5)鋼管、管件S≤001

8、％(W)，P≤0015％(W)；鍛制管件、法蘭：s≤002％(W)，P≤003％(W)；鑄件：S≤002％(W)，P≤003％(W)。6)應(yīng)以正火組織狀態(tài)供貨，焊后應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。7)母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度不超過200HB。8)母材和焊縫表面不得有深度大于05mm的尖銳缺陷存在。4抗硫化氫腐蝕碳鋼的焊接41抗硫化氫腐蝕碳鋼焊材選用要求1)焊材應(yīng)具有良好的焊接工藝。2)焊縫材料的匹配性應(yīng)遵循焊縫與母材金屬的強(qiáng)度、力學(xué)性能和化學(xué)成

9、分基本相同的原則。3)控制焊條和焊絲中S、P的含量，保證焊縫組織的S、P含量控制在規(guī)定范圍內(nèi)。如：大西洋CHG—SHA型號焊絲熔敷金屬S、P含量可達(dá)S≤0006％、P≤O010％。4)提高焊縫的純凈度，應(yīng)控制焊條和焊絲的氧含量(焊縫中氧化物形成的主要原因)。焊縫中氧化物的相對含量嚴(yán)重影響著焊縫的純凈度，而焊縫中氧化物夾雜是影響韌性的又一個(gè)主要因素，因此應(yīng)維持焊條和焊絲中較低的含氧量。比如：大西洋CHG—SHA型號焊絲中氧含量可達(dá)到000

10、33％。5)在滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡可能采用低強(qiáng)度焊接材料。42抗硫化氫腐蝕的專用焊材及代號焊材及代號見表1。對于型號CHG—SHA3]，廠家給出的熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求(詳見表2、表3)。該產(chǎn)品經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)抗HIC、SSC檢測試驗(yàn)和金相試驗(yàn)，焊縫組織均勻，晶粒細(xì)小，表面未見氫鼓包發(fā)生開裂，證明其焊縫金屬具有很好的抗硫化氫應(yīng)力腐蝕性能。43抗硫化氫腐蝕鋼的焊接要求1)焊接工藝規(guī)程應(yīng)保證焊接件滿足母材的硬度要求，