关于氢烘烤的宣传!

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简介

我有30年的炼油经验，经历过很多次转型，参与过很多次维修。当我刚开始做生意时，我们会有检查员“拥有”他们特定的设备。他们将每两年定期对所有设备项目进行一次全面的内部检查。当时，同一名视察员将定期进入、检查和“记录”同一件设备。那位检查员不可避免地对他的设备了如指掌。

经过长时间的参与，该检验员将完全熟悉他的特定区域/设备，但当需要进行维修时，总会出现一个问题:“在进行焊接维修之前，我们是否需要完成对设备的烘烤?”为什么这个问题会一直存在?为什么这门学科如此难以理解?直到今天，这个问题仍然困扰着我，所以让我解释一下。

烘培用于将氢从钢中排出，因为捕获的氢会导致焊缝开裂。事实上，滞留的氢气会导致整个容器开裂，但我们先把重点放在焊缝修复上。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，裂纹可以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会有一定的延迟，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检查，可能无法检测到这些裂纹，从而导致有缺陷的焊缝投入使用。另一方面，焊接后在检查前的过度延迟会严重影响项目规划，并延误设备的恢复服务。

目前，在各种标准中，有经验法则和/或“内部”建议焊接检查延迟在16 - 48小时之间，但这些时间没有确切的依据。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。为了简单起见，并且缺乏详细的知识，大多数人建议在所有情况下都有一个延迟时间。

背景

铁素体钢的氢开裂只发生在超过四个基本因素的临界组合时。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”这个词。当我们想到氢时，我们想到的是分子H2。这是管道里的气体。然而，在钢中给我们带来问题的氢是原子氢，或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”，或者更准确地说，“单原子氢”)极其罕见。相反，氢倾向于与化合物中的其他原子结合，或与自身结合形成普通的(双原子或分子)氢气，H2。这个问题是由氢原子(H⁺)是它是一个小原子，并有能力进入钢。当氢是分子氢(H2)时，它变得太大而无法通过钢。因此，从裂解的角度来看，我们只关心原子氢(H⁺）.

所以这就是发生的事情:在一定条件下，氢(原子氢)可以扩散到钢中。在特定的条件下，在低温和高温下，钢都可以发生吸氢。

• 低温-在低温下氢原子形成的原因:

1. 涉及氢促进剂的腐蚀，如H₂S和氢氟酸
2. 清洗和酸洗。

• 高温-在高温下氢原子的形成是由于:

1. 焊接湿电极会给钢充氢
2. 在高温下使用-少量氢气会分解成原子氢，扩散到钢中。

当原子氢进入钢并引起开裂时，称为氢脆或氢应力开裂。当原子氢(H+)扩散到金属的高应力部位(如缺口、夹杂物、焊接缺陷或裂纹)时，就会产生这种特定类型的脆性。当浓度足够时，这些氢原子会在金属结构内施加应力，降低裂纹萌生和扩展的阈值应力，降低延性(参考文献:图1)。

参考图1，请注意，铁素体钢中的氢开裂只发生在超过四个基本因素的临界组合时。这四种基本因素必须在很窄的范围内结合才能引起脆性。

氢代

现在我们已经对氢原子是如何产生的有了基本的了解，让我们再深入一些细节。

低温制氢

在大多数条件下，在低腐蚀速率下，分子H2在钢的表面形成，并且它无害地消散到周围的工艺环境中。然而，当硫化物垢存在时，硫化物作为负催化剂，阻碍了两个原子氢分子结合成分子氢的反应。

H⁺+ H⁺→H²

结果，氢原子穿透钢，积聚在晶体结构中，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(被称为重组毒药)也会干扰原子氢向分子氢的转化。在存在重组毒的情况下，原子氢的浓度上升，扩散到金属中的原子氢的数量也相应增加。

湿式H S服役中的氢损伤是由腐蚀反应的副产物生成原子氢以及随后原子氢扩散到钢中引起的。在钢与水氢的腐蚀反应中产生原子氢(H+)和分子氢(H2)_²S如下:

反应1:Fe + H₂S→。FeS + 2h

反应2:2h⁺．→H2

如反应1所示，生成氢原子。由于催化裂化装置(FCCU)和延迟焦化装置(DCU)的酸性水都含有重组毒性氰化物，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量的增加。现在反应2继续进行因为氢自然地想以H2的形式存在，但如果没有重组毒素，反应速度就会慢很多。(参考文献:图2)氰化物可以被认为是阻止氢原子结合的屏障。因此，氢原子可以通过钢迁移。

高温制氢

众所周知，在高温下产生氢气来自上述两个来源。它们是:

1. 焊接-湿电极将给钢充氢，或
2. 在高温下使用-少量氢气将解离形成原子氢，可以扩散到钢中。

焊接——焊缝填充金属中的氢含量低到足以排除焊缝中的不利影响，但由于吸湿焊剂中的水/水分(H2O)的分解，或如果焊剂和表面在焊接沉积前没有适当干燥，则在焊接区域可能存在大量的氢，或者由于金属表面的吸附。结果是H2O现在会形成氢和氧分子。

服务-几个精炼厂装置在热氢服务和高压下运行。这些装置包括加氢处理装置、重整装置和制氢装置。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，氢原子产生了。在氢原子存在的地方，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。

含氢材料引起的焊缝开裂

铁素体钢是带氢的;这是焊接后的结果。由于焊缝内普遍存在较大的温度梯度，来自任何来源的捕获氢都对焊缝的完整性构成威胁。焊接产生的热能将氢从金属中的现有陷阱中释放出来。然后氢向熔池迁移，因为氢的溶解度和扩散率在温度升高时显著增加。焊件氢逃逸到邻近的母材、热影响区(HAZ)和大气中，与其相对快速的冷却速度相比速度较慢，特别是对于超过1英寸(25.4毫米)厚的焊件。在焊缝金属和HAZ内的点，特别是在高应力下，由于应力辅助扩散，氢含量将在一段时间内增加。因此，在焊接后的一到两个小时内，大型焊件中含有的氢的浓度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，因为在之前的服役中，钢受到了扩散氢的吸收。问题是，需要什么温度，保持多长时间才能除去所有的氢原子?一旦元件从产氢源中移除，带电钢的脆化可以通过“低温”热处理来避免。除非使用非常高的温度，否则困在钢中的分子氢(H2)是无法去除的。

传统的烘烤方法各不相同，但典型的程序是通过将其加热到400-600°F(204-315°C)并保持2-4小时来“烘烤”出钢中残留的原子氢，这取决于材料的厚度和暴露的严重程度。烘烤温度可达到焊接后热处理(PWHT)所需的温度，用于比PWHT规定的保持时间更短的保温时间。

因此，为了消除铁素体钢中的氢来进行修复，让我们看看并解决什么可能需要，什么可能不需要氢烘烤。确定钢材是否会开裂的一种简单方法是简单地运行焊珠，并等待24小时进行无损检验，以确定材料是否会开裂。如果铁素体钢是由工艺本身(而不是焊接)带氢的，那么有几件事将决定是否需要烘烤:

1. 钢是否处于充氢阶段，如前面描述的低温或高温阶段?如果不是，那么就不需要烘烤。
2. 如果钢是充氢服务，我们现在有几个决定来确定我们的行动方针;决定主要基于材料类型和厚度。

• 小于1 / 2英寸(12.7mm)厚的ASTM A-106管道不太可能推荐用于烘烤，即使是在潮湿的H2S服务中。在这个行业中根本没有问题，因为它很少积累足够的氢而成为一个问题。
• 焊接管道由板材制成，如A-516管道则不同。这种材料有点“脏”，因此，建议外出烘烤。
• 一般来说，总是计划烘烤厚壁容器，或至少将这一步纳入维修计划。注意:如果将它纳入计划，而不是在维修期间添加这个耗时的步骤，维护人员会更喜欢它。

另一方面，薄壁容器需要更多的判断。问题变成了它们是否足够薄，是否适合充氢?不同酸性水促进氢充注的倾向不同。

所以现在我们已经决定了我们需要烘烤，看看这个图表中的细节。这是利用菲克定律来计算扩散速率。在这个“一刀切”的图表中仍然存在一些不确定性和一些假设，但它将使读者处于所需的范围内。

请注意，从600°F增加到800°F(315到426°C)会缩短所需的时间。这是因为热能会释放氢气。温度升高会增加氢的溶解度和扩散系数。请注意这张图表是如何从600°F(315°C)开始的，但普遍的想法是使用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去除足够的氢气，以便进行修复。

结论

为焊接修复做准备的氢烘烤并不总是必要的。当被推荐时，传统的400-600°F(204-315°C)的“标准”不一定能达到预期的结果。通过将金属温度提高到600 - 800°F(315 - 426°C)来完成脱气。在800°F(425°C)时，氢在钢中移动的速度几乎是600°F(315°C)时的两倍。

轧制板，如516，形成一个管道是一个候选烘烤时，用于酸性服务。然而，它变得越薄，就越不可能需要去除氢。

永远记住，铁素体钢中的氢开裂只发生在超过四个基本因素的临界组合时。当你从方程中排除氢的含量，你的材料就不会开裂。图1说明了开裂所需的四个基本因素。

1. 氢含量,
2. 敏感显微组织(硬度、晶粒尺寸)
3. 压力,
4. 温度。

作为最后的评论，有些人建议当有疑问时，运行一个测试珠。

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