董萬(wàn)奎* 董長(zhǎng)貴

（上?；瘜W(xué)工業(yè)檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司）

2018 年7 月，對(duì)某企業(yè)在用的氫氣緩沖罐進(jìn)行定期檢驗(yàn)時(shí)，在筒體與底部封頭的T 型焊縫處發(fā)現(xiàn)了明顯的表面裂紋（如圖1 所示）。將焊縫進(jìn)行打磨至深約20 mm 處，裂紋未消失，且沿環(huán)焊縫呈擴(kuò)展趨勢(shì)，測(cè)得裂紋長(zhǎng)約為170 mm（如圖2 所示）。該氫氣緩沖罐無(wú)法滿足檢驗(yàn)評(píng)級(jí)要求，需對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析并對(duì)緩沖罐進(jìn)行維修處理。

該氫氣緩沖罐由國(guó)內(nèi)知名壓力容器制造廠設(shè)計(jì)并制造，于2005 年7 月投入使用，在該次定期檢驗(yàn)時(shí)設(shè)備的出廠資料已遺失。查詢往期定期檢驗(yàn)報(bào)告可知，其原設(shè)計(jì)介質(zhì)為一氧化碳，內(nèi)徑為 900 mm，高為3 965 mm，設(shè)計(jì)壓力為22 MPa，設(shè)計(jì)溫度為100 ℃，材質(zhì)為復(fù)合鋼板，其中基材為16MnR，厚度為75 mm，覆材為321 不銹鋼，厚度為4 mm。該設(shè)備于2008 年停用，在2010 年經(jīng)改造后恢復(fù)使用，改造后使用介質(zhì)變更為氫氣，使用壓力變更為5.0 MPa，使用溫度變更為40 ℃，設(shè)備結(jié)構(gòu)不變。改造后該設(shè)備分別在2010 年8 月、2013 年8 月進(jìn)行了兩次定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果均為正常。

圖1 氫氣緩沖罐裂紋示意圖

圖2 氫氣緩沖罐打磨后裂紋情況

對(duì)表面裂紋進(jìn)行打磨后發(fā)現(xiàn)，裂紋隨打磨深度增加而向兩側(cè)擴(kuò)展，且裂紋位置沿母材逐漸向焊縫中心切斜。打磨至深約20 mm 時(shí)，測(cè)量得到裂紋的長(zhǎng)度約為170 mm。為了確認(rèn)焊縫內(nèi)部裂紋情況，現(xiàn)場(chǎng)沿缺陷處環(huán)焊縫另外選取了8 處進(jìn)行打磨，這8 處進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)時(shí)均未發(fā)現(xiàn)有表面裂紋，但打磨至深約15 mm 處時(shí)，卻都在焊縫兩側(cè)邊緣發(fā)現(xiàn)裂紋。由此可見(jiàn)，該環(huán)焊縫內(nèi)部裂紋情況嚴(yán)重，且初步判定該裂紋是由內(nèi)部向外擴(kuò)展至表面。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

1.1 材質(zhì)檢測(cè)

該設(shè)備采用復(fù)合鋼板制作，按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，最后一道環(huán)焊縫應(yīng)采用不銹鋼焊材焊接，因此推測(cè)該焊縫可能為異種鋼焊接。因此，首先采用便攜式X射線光譜儀對(duì)裂紋處環(huán)焊縫及母材進(jìn)行了材質(zhì)分析，結(jié)果可見(jiàn)表1。

表1 焊縫處母材及焊縫材料的化學(xué)成分（體積分?jǐn)?shù)） %

根據(jù)光譜儀分析得到的結(jié)果可以確認(rèn)，筒體及封頭外壁母材材質(zhì)為16MnR，焊縫材質(zhì)為309 不銹鋼，因此檢出裂紋的焊縫為奧氏體不銹鋼與低合金鋼異種鋼焊接的熔合部位。

1.2 焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)

為了確定焊縫內(nèi)部缺陷情況，進(jìn)一步對(duì)該環(huán)焊縫進(jìn)行了100%超聲檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)所有裂紋均在沿焊縫坡口處擴(kuò)展，且未見(jiàn)明顯的裂紋分支，裂紋最大深度約為55 mm。焊縫內(nèi)部除裂紋外未發(fā)現(xiàn)其他缺陷，基本排除原生焊接缺陷引發(fā)裂紋的可能性。

通過(guò)超聲檢測(cè)可以確定該裂紋沿焊接熔合區(qū)擴(kuò)展，主要存在于焊縫內(nèi)部，且僅局部擴(kuò)展至表面。同時(shí)對(duì)設(shè)備上封頭與筒體連接環(huán)焊縫、筒體縱焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋缺陷。

1.3 壁厚測(cè)定

使用超聲波測(cè)厚儀對(duì)焊縫附近筒體、封頭的母材進(jìn)行壁厚測(cè)定，結(jié)果如表2 所示。

表2 焊縫附近壁厚測(cè)定結(jié)果 mm

根據(jù)壁厚測(cè)定結(jié)果，可以判斷筒體內(nèi)部無(wú)明顯腐蝕缺陷，復(fù)合鋼板未發(fā)生分層情況，基本排除了因設(shè)備內(nèi)部腐蝕或復(fù)合鋼板分層破壞引發(fā)裂紋的可能性。

2 裂紋原因分析及討論

根據(jù)壁厚測(cè)定情況，可以排除因設(shè)備內(nèi)部腐蝕及復(fù)合鋼板破壞引發(fā)裂紋的可能性。同時(shí)，在壓力容器使用過(guò)程中，由應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）引發(fā)氫致開(kāi)裂造成內(nèi)部裂紋的情形較為常見(jiàn)，但該氫氣緩沖罐所儲(chǔ)氫氣來(lái)自煤化工焦化合成氣，氫氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)99.99%以上，其主要成分及雜質(zhì)可見(jiàn)表3。從表3 中可以看出，氫氣中Cl、S、水的含量均很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于可引發(fā)氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（需存在氯化物水溶液或有局部氯化物濃縮）、濕硫化氫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（硫化氫分壓大于0.003 MPa）的條件。且在壁厚測(cè)定時(shí)未發(fā)現(xiàn)明顯減薄現(xiàn)象，排除了內(nèi)部存在氫鼓包和氫致開(kāi)裂引發(fā)鋼材內(nèi)部分層的情況。經(jīng)分析后可以排除由應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引發(fā)裂紋的可能性。經(jīng)詳細(xì)查閱行業(yè)相關(guān)研究及文獻(xiàn)資料，基本可以確定本次檢出裂紋為氫脆裂紋。在實(shí)際檢測(cè)中也發(fā)現(xiàn)該裂紋沿焊縫熔合區(qū)擴(kuò)展，整個(gè)環(huán)焊縫中存在嚴(yán)重的連續(xù)性裂紋，且裂紋無(wú)明顯分支，符合氫脆裂紋的典型特征。

表3 氫氣緩沖罐內(nèi)氫氣成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

氫脆是指在制造、焊接或服役等過(guò)程中，氫通過(guò)吸附、滲透進(jìn)入材料，通過(guò)擴(kuò)散在金屬中的某一局部區(qū)域，使其韌性下降，并在殘余應(yīng)力及外部載荷作用下發(fā)生脆性斷裂，一般表現(xiàn)為氫致塑性減損、氫誘發(fā)裂紋、氫致滯后斷裂等[1-2]。當(dāng)使用環(huán)境滿足以下3 個(gè)條件時(shí)氫脆裂紋較易發(fā)生：（1）鋼或合金中的氫達(dá)到臨界濃度；（2）鋼或合金的強(qiáng)度水平和組織對(duì)脆斷敏感；（3）殘余應(yīng)力和外加載荷共同作用造成的應(yīng)力高于氫脆開(kāi)裂的臨界應(yīng)力[1]?，F(xiàn)針對(duì)實(shí)際設(shè)備裂紋情況，逐一進(jìn)行分析。

2.1 鋼中氫的濃度

鋼中氫的來(lái)源有“內(nèi)含”和“外來(lái)”2 種：前者是指材料在冶煉及隨后的機(jī)械制造（如焊接、酸洗、電鍍等）過(guò)程中所吸收的氫；后者是指材料在臨氫環(huán)境使用過(guò)程中吸收的氫[2]。

在氫氣緩沖罐焊接過(guò)程中必然會(huì)有焊材中的氫元素夾帶入焊縫中，根據(jù)壓力容器制造標(biāo)準(zhǔn)要求，16MnR 制厚壁容器（厚度大于30 mm）焊接完成后需進(jìn)行焊后熱處理，從而降低材料的焊接應(yīng)力，并使焊接時(shí)帶入的氫溢出。雖然該設(shè)備的出廠資料遺失了，但前次檢驗(yàn)報(bào)告顯示其出廠資料齊全、制造監(jiān)檢正常。因此，初步判斷該設(shè)備在制造過(guò)程中已按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定及焊后熱處理。同時(shí)在檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)上封頭與筒體連接環(huán)焊縫、筒體縱焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部裂紋缺陷，印證了以上判斷。但是，309 不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，不能進(jìn)行熱處理，而該焊縫采用309 不銹鋼焊材焊接，因此，該焊縫不可避免地存在“內(nèi)含”氫情況。

氫氣緩沖罐常用于臨氫環(huán)境，罐內(nèi)微量氫氣會(huì)以原子形式進(jìn)入金屬內(nèi)部。擴(kuò)散入鋼材中的氫含量主要受到飽和溶解度及擴(kuò)散系數(shù)的影響，309 不銹鋼中氫的飽和溶解度可根據(jù)Sievert 定律計(jì)算[3]：

式中：K0,ΔE——相關(guān)系數(shù),由金屬材料性質(zhì)決定；

pH2——?dú)浞謮?，MPa；

T——溫度，℃。

根據(jù)式（1）可以算出309 不銹鋼焊縫在25 ℃，5.0 MPa 氫分壓下的飽和溶解度S 為5.42 mg/m3。

氫在鋼材內(nèi)的含量還與氫在鋼材內(nèi)的擴(kuò)散行為有關(guān)。相關(guān)研究資料顯示，25 ℃時(shí)氫在鋼材中的擴(kuò)散系數(shù)為1.92×10-16m2/S[3]，且不隨時(shí)間變化而增加。該焊縫表面的氫飽和溶解度、擴(kuò)散系數(shù)均很低，一般不會(huì)有大量氫擴(kuò)散至鋼材內(nèi)。但擴(kuò)散入鋼材內(nèi)的氫主要以原子形式存在，并不斷向鋼材表面擴(kuò)散，且在鋼材中的錯(cuò)位、缺陷及其他形式的氫陷阱（有捕捉氫能力的元素或碳化物M23C6）等位置附近聚集[3-4]。隨著時(shí)間推移，擴(kuò)散入鋼材內(nèi)部的氫原子越來(lái)越多，且沒(méi)有有效的溢出方式。若母材內(nèi)僅殘留1 mg/m3的氫且其結(jié)合成為分子，會(huì)產(chǎn)生約1. 95 ×105MPa的壓力。檢出裂紋缺陷的焊縫處是易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷的位置，在焊縫的組織分析中將進(jìn)行進(jìn)一步討論。

2.2 鋼的強(qiáng)度和組織的脆斷敏感性

該焊縫外側(cè)母材為16MnR，焊材為309 不銹鋼，兩者均不屬于高強(qiáng)度鋼，基本可以排除因鋼材或焊縫自身強(qiáng)度過(guò)高引發(fā)脆斷敏感的可能性。

由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，檢驗(yàn)時(shí)無(wú)法進(jìn)行有效的金相檢測(cè)，因此未能對(duì)焊縫及熔合區(qū)的金相組織進(jìn)行觀察。該焊縫處存在309 奧氏體不銹鋼和16MnR 低合金鋼的異種鋼焊接情況，查詢大量資料并進(jìn)行分析后可知，在焊縫熔合區(qū)若存在奧氏體相、珠光體、鐵素體相的焊接熔合體，焊接時(shí)會(huì)出現(xiàn)馬氏體相。同時(shí)，擴(kuò)散氫會(huì)使不銹鋼氫致馬氏體化，沿馬氏體產(chǎn)生微裂紋，同時(shí)發(fā)生附加的塑性損失[5]。熔合區(qū)金屬處于局部融化狀態(tài)，晶粒十分粗大，化學(xué)成分及組織分布極不均勻，在異種鋼焊接處尤為嚴(yán)重。隨著該區(qū)域的擴(kuò)散氫越來(lái)越多且集聚程度增強(qiáng)，部分氫會(huì)結(jié)合成為氫分子，使母材產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。

最終，在焊接過(guò)程中導(dǎo)致焊縫“內(nèi)含”的氫及在設(shè)備使用過(guò)程中“外來(lái)”的氫均在焊縫熔合區(qū)集聚，受到應(yīng)力影響后，在焊縫中的馬氏體組織附近萌生氫脆裂紋。隨著使用中擴(kuò)散氫的集聚和進(jìn)一步擴(kuò)散，初始裂紋在應(yīng)力作用下沿熔合區(qū)向左右及外部擴(kuò)展，擴(kuò)展的速度和部位受到局部應(yīng)力水平的影響。

2.3 殘余應(yīng)力和外加載荷分析

在焊接過(guò)程中，焊接殘余應(yīng)力最大值位于焊縫中心位置，越遠(yuǎn)離焊縫中心，應(yīng)力值逐漸減小。在按標(biāo)準(zhǔn)制造的壓力容器設(shè)備中，焊接殘余應(yīng)力最大值位于T 型焊縫處。

在徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力作用下，鋼材內(nèi)部萌生的微裂紋主要在鋼材內(nèi)周向擴(kuò)展及向外擴(kuò)展，在T 型焊縫處向外擴(kuò)展程度最嚴(yán)重。該設(shè)備在往期檢驗(yàn)中未進(jìn)行內(nèi)部無(wú)損檢測(cè)，初始階段的內(nèi)部裂紋未能有效檢出，在徑向應(yīng)力作用下，T 型焊縫位置的裂紋最先擴(kuò)散至表面。而此時(shí)，焊縫內(nèi)部的周向裂紋早已形成并延伸已久。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，環(huán)焊縫的熔合區(qū)基本已形成連通性內(nèi)部裂紋，危險(xiǎn)性極大。

氫氣緩沖罐常用于常溫、無(wú)腐蝕性環(huán)境，在使用及檢驗(yàn)過(guò)程中，一般認(rèn)為其設(shè)備本身安全狀況較好，不易產(chǎn)生異常損傷。在日常管理過(guò)程中，較少對(duì)設(shè)備本身的材質(zhì)及內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行檢查；定期檢驗(yàn)時(shí)，一般也以宏觀檢查、壁厚測(cè)定、外表面無(wú)損檢測(cè)為主，較少進(jìn)行鋼材內(nèi)無(wú)損檢測(cè)。在本次檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在外表面裂紋時(shí)，焊縫內(nèi)部裂紋已經(jīng)非常嚴(yán)重了。其主要原因是內(nèi)部裂紋萌生已久，隨時(shí)間推移，形成了嚴(yán)重的連通性裂紋，最終擴(kuò)展至焊縫表面。

2.4 裂紋原因及相應(yīng)措施

綜合分析后可以確定，該氫氣緩沖罐焊縫是受到制造、使用過(guò)程中各類因素作用而產(chǎn)生了內(nèi)部裂紋，并隨時(shí)間推移擴(kuò)展至表面。該類損傷在同類設(shè)備中較為少見(jiàn)，使用單位對(duì)該類損傷模式的重視程度較低。如在檢驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，而內(nèi)部裂紋已異常嚴(yán)重的情況下繼續(xù)使用該設(shè)備，將埋下重大的安全隱患。該裂紋產(chǎn)生的主要影響因素及預(yù)防措施歸納如下。

（1）制造因素

產(chǎn)生裂紋的焊縫為異種鋼焊接焊縫，容易導(dǎo)致晶粒粗大及產(chǎn)生馬氏體相，且焊接產(chǎn)生的氫在普通的后熱處理過(guò)程中無(wú)法逸出，造成熔合區(qū)氫致開(kāi)裂敏感、氫原子較易集聚。因此在異種鋼焊接過(guò)程中，應(yīng)采用低氫焊條，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行烘干。焊后應(yīng)按照不銹鋼的溫度要求進(jìn)行焊后消氫處理，釋放焊縫中滯留的氫，并消除焊縫內(nèi)部的馬氏體組織。

（2）使用因素

氫極易擴(kuò)散至鋼材內(nèi)部，因此除了氫氣本身屬于易燃易爆介質(zhì)外，氫氣緩沖罐自身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)也并不像人們想象的那么“安全”。在氫擴(kuò)散、制造缺陷及環(huán)境因素的共同作用下，氫氣緩沖罐在使用過(guò)程中可能產(chǎn)生氫致開(kāi)裂等現(xiàn)象。日常檢查中，應(yīng)定期對(duì)常溫氫氣緩沖罐等設(shè)備進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)、外表面宏觀檢查，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)，避免設(shè)備失效。

（3）檢驗(yàn)因素

氫氣緩沖罐的使用環(huán)境相對(duì)安全，在年度檢驗(yàn)及定期檢驗(yàn)時(shí)較少對(duì)氫氣緩沖罐進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)。但臨氫環(huán)境是石化行業(yè)較為常見(jiàn)的使用環(huán)境，對(duì)所用設(shè)備的影響性也是多種多樣的。檢驗(yàn)時(shí)，需結(jié)合設(shè)備綜合狀態(tài)進(jìn)行設(shè)備損傷的可能性分析。對(duì)于在臨氫環(huán)境中使用的設(shè)備應(yīng)加大內(nèi)部缺陷檢測(cè)比例，發(fā)現(xiàn)其中的埋藏缺陷，避免設(shè)備存在內(nèi)部氫脆裂紋等缺陷。

3 結(jié)論

本次定期檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氫氣緩沖罐焊縫產(chǎn)生裂紋的主要原因是氫脆引發(fā)內(nèi)部裂紋，并擴(kuò)展至焊縫表面。引起氫脆裂紋的主要因素是制造過(guò)程中有殘余氫、制造形成的組織具有不安全性、使用過(guò)程中氫擴(kuò)散入鋼材內(nèi)部等。在氫氣緩沖罐的制造過(guò)程中應(yīng)注意控制焊接質(zhì)量，并按照較高的鋼材消氫處理?xiàng)l件要求進(jìn)行消氫處理，且在設(shè)備使用過(guò)程中對(duì)臨氫環(huán)境設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)檢查。定期檢驗(yàn)時(shí)有必要對(duì)氫氣緩沖罐進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)。