Особенность коррозионной стойкости сварных соединений при проведении экспертизы промышленной безопасности технологического оборудования нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Часть 1

В данной работе произведено разделение сварных соединений на группы и рассмотрены первые три группы сварных соединений подверженных коррозионным разрушениям, которые необходимо учитывать при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Ключевые слова: промышленная безопасность, экспертиза промышленной безопасности, сварные соединения, разнородные стали, коррозионные разрушения, нефтехимия, нефтепереработка.

In this work produced the separation of the welded joints on the group and considered the first three groups of welded joints susceptible to corrosion damage that must be considered during the examination of industrial safety of technical devices in the chemical, petrochemical and refining industries.

Key words: industrial safety, industrial safety expertise, welded joints, dissimilar steel, corrosion damage, petrochemicals, oil refining.

В последние десятилетия техногенные катастрофы и аварии в нашей стране и за рубежом, повлекшие большие человеческие жертвы, заставили резко изменить отношение общества к проблеме безопасности населения и окружающей среды. Основные причины роста числа аварий и катастроф — это критический уровень износа оборудования, нарушение производственной и технологической дисциплины, ослабление контроля государственных органов

К настоящему времени 80–90 % парка нефтеперерабатывающего и нефтехимического оборудования достигло и превысило нормативный срок эксплуатации 20–25 лет назад предельным нормативным сроком эксплуатации считалось 10 лет, после чего следовала замена корпусных аппаратов, змеевиков печей и наиболее ответственных технологических трубопроводов. Однако отсутствие в стране необходимых материальных ресурсов для выполнения этой работы требует продления допускаемых сроков безопасной эксплуатации, при которых запредельное старение металла требует специальных подходов к проведению технического диагностированию.

Как свидетельствует статистика, около 80 % разрушений нефтехимического оборудования приходится сварные соединения технологического оборудования, поэтому такие участки всегда привлекали заслуженное внимание специалистов.

Рассмотрение особенностей видов коррозионного разрушения сварных соединений более рационально производить для группы свариваемых сталей, в которых методы предупреждения коррозии и уменьшения влияния коррозионного ослабления конструкции практически одинаковы.

По этим признакам все сварные соединения, применяемые в нефтехимическом оборудовании, можно разбить на следующие группы:

1.                  Сварные соединения малоуглеродистых и низколегированных кремнемарганцовистых сталей (Ст3, Сталь10, Сталь 20, 15К, 16ГС, 09Г2С и т. д.).

2.                  Сварные соединения теплоустойчивых хромомолибденовых сталей (12МХ, 15Х5М, Х9М и т. д.).

3.                  Сварные соединения высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей и сплавов более сложного легирования (08Х13, 12Х18Н10Т и т. д.).

4.                  Сварные соединения двухслойных сталей;

5.                  Сварные соединения разнородных сталей.

В данной работе рассмотрим первые три группы как наиболее часто встречающиеся на опасных производственных объектах нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

Первая группа сварных соединений сталей:

Сварные соединения первой группы сталей подвержены общей коррозии, электрохимической коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением.

Сварные соединения первой группы сталей не имеют склонности к межкристаллитной коррозии, для которой в этой группе сталей не могут быть созданы необходимые условия. Склонность сварных соединений этой группы сталей к коррозионному растрескиванию под напряжением проявляется как в кислой, так и в щелочной агрессивной среде. Наиболее эффективной мерой предупреждения коррозионного растрескивания под напряжением сварных соединений этих материалов являются методы снижения остаточных сварочных напряжений в процессе термической обработки по режиму высоко отпуска.

Вторая группа сварных соединений сталей:

Сварные соединения второй группы сталей также не могут быть склонны к межкристаллитной коррозии, а для исключения коррозионного растрескивания под напряжением здесь также служит термическая обработка сварных соединений, которая для этой группы сталей необходима еще и поэтому, что обеспечивает повышение стойкости сварного соединения к закалочным трещинам и хрупким разрушениям еще до эксплуатации, например, в процессе гидроопрессовки. Таким образом, отсутствие термообработки здесь проявляется уже до вывода нефтехимического оборудования на рабочий режим.

Третья группа сварных соединений сталей:

Сварные соединения третьей группы сталей(с 13 и выше процентами хрома без никеля, а также хромоникелевых сталей типа 12Х18Н10Т и других высоколегированных сталей и сплавов на никелевой основе — ХН32, ХН60, ХН70 и т. д.) является идеальной для проявления склонности к МКК и КР под напряжением без соответствующих технологических мероприятий, предупреждающих реализацию этих видов коррозионного разрушения сварных соединений. Причем эти технологические мероприятия связаны не только со специальным видом термической обработки, который здесь рекомендуется — стабилизирующий отжиг при 850–900^оС, но в некоторых случаях (для предупреждения КР) количественным содержанием никеля в металле шва. Остановимся на этом несколько подробнее.

В процессе сварки участки металла шва и околошовной зоны, которые наиболее длительное время находятся в температурном интервале 500–700^оС, приобретают склонность к МКК, т. е. к коррозионному растворению границ и приграничных участков зёрен металла. Этот вид коррозии обусловлен структурными превращениями в металле, которые происходят при нагреве в интервале 500–700^оС. Известно, что коррозионное растворение металла в средах нефтепереработки маловероятно, если металл содержит в своем твердом растворе не менее 13 % хрома. При меньшем содержании хрома в твердом растворе коррозия возможна. При нагреве металл в указанном температурном интервале (500–700^оС) в металле происходит интенсивное образование стойких химических соединений находящихся в металле атомов углерода с атомами хрома — образование карбидов хрома. Это процесс наиболее интенсивно проходит на границах зерен, где сравнительно большие атомы хрома имеют большую диффузионную подвижность и способность к образованию карбидов. Таким образом, границы и приграничные участки зерен оказываются обедненными атомами хрома, находящимися в твердом растворе, т. е. этих атомов становится меньше 13 %. Именно эти участки и проявляют склонность к коррозии. А поскольку эти участки металла находятся на границах зерен, то данный вид коррозии получил название межкристаллитной коррозии.

Эффективным для предупреждения МКК является проведение специального вида термической обработки сварных соединений — стабилизирующего отжига. Для исключения МКК стабилизирующий отжиг необходим не только для металла шва, но и для высокотемпературных участков околошовной зоны, нагреваемых до температуры 950^оС и выше, при которых растворяются карбиды ниобия, ванадия и т. д. В этих условиях специальный повторный нагрев в процессе термообработки при температуре 850–900^оС приводит к образованию и коагуляции карбидов ниобия, ванадия и т. д., что приводит к связыванию в этих карбидах атомов углерода. Эти карбиды остаются стойкими при последующем охлаждении в области температур 500–700^оС, при которых наиболее интенсивно происходит образование карбидов хрома (Cr₂₃C₆ и т. д.), вследствие чего из-за отсутствия атомов углерода, уже связанного в карбиды Nb, V, Ti и т. д., атомы хрома остаются в свободном состоянии в твердом растворе, обеспечивая необходимую коррозионную стойкость не только в теле зерна, но и на границах зерен. Этим и обеспечивается стойкость против межкристаллитной коррозии.

Указанное обстоятельство необходимо учитывать при разработке технологий и технологических карт на ремонт или реконструкцию. Если собственно металл шва может обеспечивать стойкость против МКК применением электродов, содержащих необходимое количество ниобия даже без специальной термообработки — стабилизирующего отжига при 850–900^оС, то околошовная зона, не содержащая этого элемента, а содержащая титан в незначительном количестве оказывается с нарушенной стойкостью против МКК — так называемая ножевая коррозия. Для исключения этого вида коррозионного разрушения необходим стабилизирующий отжиг околошовной зоны.

Как показали обстоятельные исследования, выполненные в последние десятилетия специалистами различных промышленно развитых стран, при содержании в металле сварного шва никеля менее 28 %, стойкость металла против КР в различных средах, характерных для нефтехимпереработки, не гарантируется. И это подтверждается прямыми электронномикроскопическими исследованиями методом просвечивания тонких фольг, приготовленных из исследуемого сплава. В исследуемых участках металла выявлено различное взаимное расположение дислокаций на участках металла с различным количеством присутствующего в сплаве никеля.

Особенности движения дислокаций к своим стокам при воздействии напряжений обуславливают различную стойкость металла шва против КР.

При содержании Ni в металле шва до 28 % (электроды Э 10Х25Н13Г2 — ОЗЛ-6) дислокации располагаются в виде лесенки с параллельными ступенями. Каждая такая ступенька при выходе на поверхность разрывает поверхностную окисную пленку и обеспечивает доступ к оголившейся поверхности новых порций агрессивной среды, в результате чего образуется новая защитная пленка из продуктов коррозии поверхности металла. Но вслед за этим подходит следующая дислокация в виде ступеньки лестницы. Эта дислокация снова разрывает окисную пленку, вследствие чего на этом участке поверхности образуется коррозионная микротрещина, которая увеличивает свою глубину поступлением новых дислокаций в виде ступеньки лестницы.

При содержании никеля в металле шва более 28 % (электроды Э-06Х25Н40М7Г2 — АНЖР-2) дислокации в виде петель и хаотично разбросанных по телу зерна скругленных образований, которые при приложении механических нагрузок не имеют преимущественного скольжения в одном направлении с образованием и ростом ступенек при выходе на поверхность кристалла, вследствие чего коррозионных трещин на поверхности не образуется.

Выбор электродов для сварки в этих случаях определяется не только содержанием никеля, но также наличием и содержанием карбидообразующего ниобия, предотвращающего склонность металла шва против межкристаллитной коррозии, а также обеспечивающего более высокую стойкость в средах нефтепереработки молибдена.

Кроме КР под напряжением и МКК для высоколегированных сварных соединений на хромоникелевых аустенитных сталях существует еще одна опасность, которую необходимо учитывать. Это — охрупчивание металла шва и околошовной зоны при высокотемпературной эксплуатации вследствие образования сигмы-фазы. Дело в том, что эффективным способом борьбы с горячими трещинами при сварке является легирование металла шва и околошвной зоны элементами-ферритизаторами. В этом случае центрами кристаллизации при остывании расплавленной сварочной ванны является α-фаза (т. е. ферритная фаза), которая подавляет развитие ликвационных процессов и скопление легкоплавкой жидкой фазы в межзеренных участках шва и образование в этих участках микронадрывов под действием сварочных напряжений. Вместе с тем избыточное количество ферритной фазы при высокотемпературной эксплуатации трансформируется (т. е. превращается) в хрупкую сигма-фазу, которая и приводит к охрупчиванию аустенитного металла шва и околошовной зоны.

По этой причине установлено допустимое количество ферритной фазы в аустенитном металле шва для различных температурных интервалов эксплуатации (таблица 1). Превышение ферритной фазы установленных пределов приводит к охрупчиванию металла шва.

Таблица 1

Литература:

1.         [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mspbsng.org/stat_accident.

2.         Л. С. Лившиц, А. Н. Хакимов. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений. М, Машиностроение, 1989.