临硫化氢碳钢管道的改造焊接缺陷及控制

临硫化氢碳钢管道的改造焊接缺陷及控制

廖亮

身份证号码： 36242319880402**** 江苏南京 210048

摘要：随着我国近年来对环境保护工作的重视，对烟气排放的要求也愈加严格。为了使硫磺回收装置烟气中SO₂的浓度满足新排放标准要求，需要对硫磺回收装置进行工艺升级改造。吸收塔顶至焚烧炉段管道常年输送含H₂S介质，易产生硫化氢应力腐蚀裂纹（SCC），返修率较高。本文旨在对湿硫化氢环境管道的焊接缺陷产生机理进行分析，并通过现场实际焊接工艺过程控制，对焊接工艺进行验证，为今后同条件下的焊接质量管理工作提供经验与启示。

关键词：硫化氢 应力腐蚀 裂纹 质量管理

1、项目概况

扬子石化硫磺回收装置烟气中SO₂的浓度不满足我国新排放标准规定的100 mg/Nm³限值要求，需要在现有硫磺回收装置的基础上，增设碱吸收工艺装置，从含硫化氢的气体中回收硫磺，从根本上解决生产过程中副产硫化氢气体的污染问题，使硫资源得到充分利用，满足安、稳、长、满、优的长周期运行要求。通过碱吸收的工艺，最终排放尾气SO₂含量不大于80mg/Nm³。扬子石化硫磺回收装置烟气提标改造项目湿硫化氢环境运行的管道更换约50米，管道为20#材质，管径DN1100、DN900、DN500，涉及焊口数7道。焊后无损检测片数共75张，合格率100%。

2、应力腐蚀种类及机理^[1]

应力腐蚀裂纹所涉及的因素较多，较公认的看法分两种：一是电化学应力腐蚀开裂，二是机械破裂应力腐蚀开裂。硫化氢应力腐蚀裂纹（SCC）属于电化学应力腐蚀开裂中阴极氢脆开裂（HEC）。在应力作用下，阳极发生M⁺的溶解，即金属以离子状态溶入介质： M→M⁺ + e。与此同时，电子e在金属内部直接从阳极流向阴极（即金属表面）。如果金属表面与含有H⁺的介质接触时，那么电子e与H⁺便结合成氢原子H，即：H⁺ + e→H。这种氢原子将向金属中扩散，造成脆化，及所谓的阴极氢脆开裂型SCC。根据电化学原理，在应力作用下，当阴极电流密度越大时，越易发生氢致催化，也就越易产生HEC型SCC。

2、20#钢管的焊接性分析

20#钢主要化学成分除了以碳作为合金元素外，还有少量的Mn和Si有益元素，还有S、P等杂质。属于优质碳钢，其w（C）=0.2%，脆硬倾向小，焊接性优良。

3、20#焊接工艺验证分析

本 次现场焊接采用的是氩弧焊打底，手工电弧焊盖面。焊材选用φ2mm H08Mn2SiA焊丝和φ3.2mm CHE427SH焊条，焊缝主要规格为φ516×8，其坡口尺寸见图3.1。

8mm

图3.1 坡口形式

焊条选择碱性焊条，由于熔渣为碱性，且氧化性极低，对于去氢和脱硫有良好的效果，不易在焊缝中产生残留物，焊缝组织良好，综合性能优越。

为了尽量减少焊接应力，清除老管道中残余氢及管壁上残留的硫化物，焊接先采用电加热方式进行消氢处理，加热温度在300-350摄氏度，预热范围为焊缝两侧100mm，温度监测点设置在加热面背面。焊接必须保证一次焊接完毕，焊接过程中层间温度控制在100～150℃，焊材按要求进行烘干使用，焊丝以及坡口要清洁无油、无锈、无水。为了降低焊接应力，除进行无应力组对外，尽可能采用小的焊接线能量是保证焊缝质量的有效措施。焊后对焊缝及时进行热处理,热处理参数选择的是630℃，保温1.5小时，焊缝的硬度平均检测值为HB159～HB167。

4、焊接过程控制

施工过程中对旧管道的切割、打磨和新管道的组对、预热、焊接及热处理各道工序进行了检查，分别从人、机、料、法、环几个方面进行控制：

4.1 人员

1）应力腐蚀裂纹最主要的诱因为焊接应力，管道的无应力组对尤为重要。现场挑选的是负责实施碱吸收塔附塔管线（直径Φ1200，长度约25米）组对的管工，该管工进行附塔管线组对时，管道垂直度、设备法兰口吻合度及相应支撑与弹簧支架抱夹高标准满足规范要求，且一次组对成功，标准较高。

2）现场挑选了2名在本工程中一次拍片合格率高于99%的焊工进行施焊。焊工均具有相应焊接资质。

3）承包商焊接工程师对其质量管理人员及参与的管工及焊工进行技术交底，使其掌握防止产生应力腐蚀裂纹的焊接控制要点。焊工对于组对不符合要求或预热达不到要求的焊缝不得焊接，质检员做好过程检查及记录。

4.2 机具

1）对焊接及热处理设备进行了检查，所有设备的已经定期检定合格，其性能稳定，基本排除由此而引起的缺陷问题。

2）焊接热处理设备加热片应洁净，无油污、泥土等附着物，串联加热片的电缆应完好。

3）激光测温仪应检查合格并经过校准，保证热处理过程温度测量准确性。

4.3 材料

1）旧烟气管道切割完成后应对管壁进行厚度测量，对腐蚀严重的管道禁止利旧。

2）对切割处100mm范围内的坑蚀附着物进行打磨清理干净，打磨完成后进行100%PT检测合格。

3）焊材烘烤及发放符合要求，现场使用的焊材均进行保温。焊丝使用前进行清理，表面不得有油污锈迹等。

4.4 方法、措施

1）焊接工艺中影响SCC的因素是多方面的，如金属材料的冶金品质、产品结构的设计、施工制造工艺及运行过程中的技术管理等。从焊接实际情况进行分析，坡口组对质量是影响焊接应力的主要因素。应严格检查坡口精度，且避免出现组对错边的情况。在组对过程中采取的临时固定措施（如拉筋、夹具等）导致的临时点焊以及引弧的烧痕等，均应打磨平滑，否则SCC较容易从这些区域开始产生。

2）严格焊接工艺纪律的执行，对于焊前消氢处理、层间温度、后热及热处理工艺均应严格按要求执行；应尽量保证一次焊缝焊接完成并及时进行焊后热处理，如中断焊接，必须立即进行后热，再次施焊前需再次预热；焊接过程中对管口两端用保温棉进行封堵，防止穿堂风，延缓层间温度降低速度。

4.5环境

焊接作业环境应在天气状况良好的情况下进行，避免潮湿环境下进行焊接。

5、结语

通过对20#烟气管道产生应力腐蚀裂纹的机理及焊接工艺特点进行分析，制定合理的焊接工艺及方案，并通过施工过程人、机、料、法、环等因素的综合控制，达到了较好的焊接效果，7道焊缝的焊接合格率100%合格，对于今后该类改造项目焊接质量管理提供了较好的借鉴。

 参 考 文 献

[1]《焊接冶金学》—北京：机械工业出版社.2008

[2]《石油化工管道设计器材选用规范》SH/T 3059-2012.

[3]《含硫化氢介质压力管道检修焊接工艺》设备管理与维修—维护与修理2007