关于氢烘焙的炒作!

本文是由两部分组成的系列文章的第1部分。

第1部分|第2部分

简介

我有30年的炼油经验，经历过很多转机，参与过很多维修。当我开始做生意的时候，我们会有“拥有”他们特定设备的检查员。他们将每隔两年对所有设备项目进行一次完整的内部检查。届时，同一名视察员将定期进入、检查和“记录”同一件设备。那位检查员必然对他的设备了如指掌。

经过长时间的工作，检验员对他的特定区域/设备非常熟悉，但当需要维修时，总是会出现一个问题:“在进行焊接维修之前，我们是否需要对设备进行烘烤?”为什么这个问题会一直存在?为什么这个主题如此难以理解?直到今天，这个问题仍然困扰着我，让我来解释一下。

烘烤法用于将氢从钢中挤出，因为困住的氢会导致焊缝开裂。实际上，滞留的氢气会导致整个容器出现裂缝，但我们还是先关注焊接修复吧。这种类型的开裂有很多名称，通常被称为延迟开裂、冷开裂、氢辅助开裂、氢诱导开裂和氢脆。

众所周知，裂纹可能在焊接过程中立即发生，或者在焊接完成和氢裂纹形成之间可能有一些延迟，但通常在48小时内。因此，如果在焊接敏感材料后过早进行传统的检测，可能无法发现这些裂纹，从而导致有缺陷的焊缝投入使用。另一方面，焊接后检查前的过度延误，会严重影响项目规划，延误设备回用。

目前，在各种标准中都有关于焊缝检查延迟16 - 48小时的经验法则和“内部”建议，但这些时间并没有坚实的基础。此外，在不同的材料、接头几何形状或焊接条件之间通常没有区别。为了简单，并且缺乏详细的知识，大多数人对于所有情况都建议使用一个延迟时间。

背景

在铁素体钢中，只有当四个基本因素的临界组合超过时才会发生氢开裂。这些因素是:

1. 氢含量,
2. 敏感的微观结构,
3. 压力,
4. 温度。

原子氢

首先，让我先解释一下“氢”这个术语。提到氢，我们想到的是H2分子。这是管道中的气体。然而，在钢中给我们带来问题的氢是原子氢，即H⁺．在地球上的日常生活中，孤立的氢原子(通常被称为“原子氢原子”，更准确地说，是“单原子氢原子”)是极其罕见的。相反，氢倾向于在化合物中与其他原子结合，或与自身形成普通的(双原子或分子)氢气，H2。问题出现在原子氢(H⁺)的原因是它是一个很小的原子，并且有能力传播成钢。当氢是分子氢(H2)时，它变得太大而不能在钢中迁移。因此，从裂解的角度来看，我们只关心原子氢(H⁺）.

事情是这样的:在某些条件下，氢(原子氢)可以扩散到钢中。钢的吸氢可以在特定条件下发生，包括低温和高温。

• 低温-在低温下氢原子的形成是由于:

1. 含氢促进剂的腐蚀，如H₂S和氢氟酸
2. 清洁和酸洗。

• 高温-在高温下氢原子形成的结果是:

1. 焊接-湿电极将使钢充满氢气
2. 在高温下使用-少量的氢气将分解形成原子氢，可以扩散到钢。

当原子氢进入钢并引起裂纹时，称为氢脆或氢应力裂纹。当原子氢(H+)扩散到金属高应力部位(例如缺口、夹杂物、焊接缺陷或裂纹)时，就会产生这种特殊类型的脆性。当浓度足够大时，这些氢原子会在金属结构内施加应力，降低裂纹萌生扩展的阈值应力，降低延性(参考图1)。

参考图1，注意在铁素体钢中，只有当四个基本因素的临界组合超过时才会发生氢开裂。这四种基本因素必须在很窄的带内结合起来才会造成脆化。

氢代

既然我们对氢原子是如何产生有了基本的了解，让我们再深入一点细节。

低温制氢

在大多数条件下，在较低的腐蚀速率下，H2分子会在钢的表面形成，并无害地消散在周围的工艺环境中。然而，当硫化物垢存在时，硫化物起负催化剂作用，阻碍两个氢原子分子结合成氢分子的反应。

H⁺+ H⁺→H²

结果，原子氢穿透钢，聚集在晶体结构中，影响钢的力学性能。化合物，如硫化物、氰化物(HCN)、磷、锑、硒和砷酸盐(被称为复合毒物)也干扰原子氢向分子氢的转化。当存在复合毒物时，氢原子的浓度升高，扩散到金属中的氢原子的数量也相应增加。

湿式H S服务中的氢损伤是由腐蚀反应的副产物原子氢的生成和随后原子氢扩散到钢中造成的。钢与水氢的腐蚀反应产生原子氢(H+)和分子氢(H2)_²年代如下:

反应1:Fe + H₂→。FeS + 2h

反应2:2 H⁺．→H2

如反应1所示，生成了氢原子。由于来自催化裂化装置(FCCU)和延迟焦化装置(DCU)的酸性水都含有复合有毒氰化物，这些水容易产生更多的原子氢，从而促进原子氢扩散到金属中的数量增加。现在反应2继续进行因为氢自然地想以H2的形式存在，但是如果没有重组毒物，它的速度就没有正常情况下快了。(参考:图2)氰化物可以被认为是阻止原子氢结合的屏障。因此，原子氢可以在钢中迁移。

高温制氢

众所周知，高温下氢的生成主要来自上述两种来源。它们是:

1. 焊接-湿电极将使钢充满氢，或
2. 在高温下使用-少量的氢气将分解形成原子氢，可以扩散聚变到钢。

焊接——焊缝填充金属中的氢含量低到足以避免对焊缝产生不利影响，但在焊接区域中，由于吸湿性焊剂中的水/水分(H2O)破裂，或者焊剂和表面在焊接沉积前未适当干燥，会在金属表面吸附，从而会产生更多的氢。结果是水分子会形成氢和氧分子。

服务-几个炼油厂在高温氢气服务和高压下运行。这些装置是加氢处理装置、重整装置和氢气装置。在这些单位中，氢是这个过程的一部分，作为这个过程本身的结果，产生了氢原子。只要有氢原子存在，并且有足够的温度和压力，氢原子就有机会离开这个过程，迁移到钢中。

充氢材料引起的焊缝开裂

铁素体钢是带氢的;这就是焊接时的情况。由于焊缝内部存在较大的温度梯度，来自任何来源的困氢都会对焊缝的完整性造成威胁。焊缝产生的热能从金属中现有的陷阱释放出氢气。随着温度的升高，氢的溶解度和扩散率大幅增加，因此氢会向熔池迁移。焊件中的氢气逃逸到毗邻的母材、热影响区(HAZ)和大气中，与相对快速的冷却速度相比是缓慢的，特别是对于超过1英寸(25.4毫米)厚的焊件。在焊缝金属和热影响区内，特别是在高应力下，由于应力辅助扩散，氢含量会在一段时间内增加。因此，在焊接后的一到两个小时内，大型焊件中氢的含量会远远超过其在环境温度下的低溶解度，导致氢应力开裂或氢脆。

预防/缓解

焊接前的氢烘烤(脱氢)被认为是消除钢中氢的必要措施，因为在之前的服务中，可扩散氢会被吸收。问题是，需要多大的温度和多长时间才能去除所有的氢原子?一旦该部件从氢气源中移除，就可以通过“低温”热处理来避免带电钢的脆化。钢中的氢分子(H2)只有在使用非常高的温度时才能去除。

烘烤的传统方法各不相同，但典型的程序是将钢中的剩余原子氢“烘烤”到400-600°F(204-315°C)，并保持2-4小时，这取决于材料的厚度和暴露的严重程度。如果保温时间比焊接后热处理(PWHT)规定的时间短，则可以使用达到完全焊后热处理(PWHT)所需的烘烤温度。

所以为了消除铁素体钢中的氢来进行修复，我们来看看哪些需要，哪些不需要进行氢烘烤。一种简单的方法来确定钢材是否会开裂，那就是打开一个焊珠，等待24小时，用无损检测来评估，并确定该材料是否会开裂。如果铁素体钢是氢气充电的过程本身(不是焊接)，那么有几个事情将决定需要烘烤:

1. 钢是否用于氢气充注应用，如前所述的低温或高温应用?如果没有，那么不需要烘烤。
2. 如果钢铁用于充氢服务，我们现在有几个决定来决定我们的行动方针;主要基于材料类型和厚度的决定。

• 不建议将厚度小于1 / 2英寸(12.7毫米)的ASTM A-106管道用于烘烤，即使是湿式H2S服务。这在工业上根本没有问题，因为它很少积累足够的氢气成为问题。
• 焊接管系由钢板制成，如A-516管系不同。这种材料有点“脏”，因此，建议烘烤。
• 一般来说，总是计划烘烤厚壁容器，或至少把这一步纳入修复计划。注意:如果把它纳入计划，维护人员会更喜欢它，而不是在维修过程中增加这个耗时的步骤。

另一方面，薄壁容器需要更多的判断。现在的问题是，它们是否足够薄，是否能提供温和的氢气充电服务?不同酸性水对充氢的促进作用不同。

现在我们已经决定要烘烤了，看看这张图表中的细节。这是用菲克定律来计算扩散速率的。在这个“一刀切”的图表中仍然有一些不确定因素和一些假设，但它将把读者放在需要的范围内。

请注意，从600°F增加到800°F(315到426°C)缩短了所需的时间。这是因为热能释放出氢气。温度升高会增加氢的溶解度和扩散率。请注意这张图表是如何从600°F(315°C)开始的，然而普遍的想法是使用400°F(204°C)“或更高”。毫无疑问，加热到400华氏度会有一些好处，但加热到更高的温度可以更好地确保足够的氢被去除，以便进行修复。

结论

为焊接修补准备的氢烘烤并不总是需要的。当推荐使用时，传统的400-600°F(204-315°C)的“标准”不一定能达到预期的结果。通过提高金属温度高达600 - 800°F(315 - 426°C)脱气完成。在800°F(425°C)时，氢在钢中的流动速度几乎是600°F(315°C)时的两倍。

像516这样的轧制板形成的管子在酸性环境中是烘烤的备选材料。然而，它越薄，就越不需要去氢。

一定要记住，铁素体钢的氢开裂只发生在四个基本因素的关键组合超过。当你把氢的含量从方程式中去掉时，你的材料就不会开裂。图1说明了破解所需的四个基本因素。

1. 氢含量,
2. 材料-敏感显微结构(硬度，晶粒尺寸)
3. 压力,
4. 温度。

作为最后的评论，一些人建议，当有疑问时，运行一个测试珠。

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