关于氢烘烤的炒作！

本文是由两部分组成的系列文章的第1部分。

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介绍

我有30年的炼油经验，经历过多次扭亏为盈，也参与过很多维修工作。当我刚开始创业时，我们会有“拥有”特定设备的检查员。每隔两年，他们将对所有设备项目进行一次完整的内部检查。那时，同一检查人员将定期进入、检查和“记录”同一件设备。那个检查员必然会对他的设备了如指掌。

经过长时间的参与，检查员将完全熟悉他的特定区域/设备，但当需要维修时，总是会出现一个问题:“我们需要在进行焊接维修之前完成对该设备的烘烤吗?”为什么这个问题经久不衰?为什么这个题目这么难理解?直到今天，这个问题仍然伴随着我，所以让我来解释一下。

烘烤是用来将氢从钢中分离出来的，因为捕获的氢会导致焊缝开裂。实际上，被困的氢气会导致整个容器开裂，但让我们先关注焊缝的修复。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，也可以在焊接完成和氢裂纹形成之间有一定的延迟，但通常在48小时内。因此，如果在焊接易受影响的材料后过早进行传统检测，可能无法检测到这些裂纹，从而导致错误焊缝投入使用。另一方面，焊接后检验前的过度延迟会严重影响项目规划，延误设备的恢复使用。

目前，有经验法则和/或“内部”建议焊接检查延迟16 - 48小时在不同的标准，但没有坚实的基础，这些时间。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，大多数人对于所有情况都有一个推荐的延迟时间。

背景

铁素体钢只有在超过所涉及的四个基本因素的关键组合时才会发生氢开裂。这些因素是:

1. 氢含量,
2. 敏感的微观结构,
3. 压力，和
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H2分子。这是管道中的气体。然而，在钢铁中给我们带来麻烦的氢是氢原子，或称H⁺．在地球上的日常生活中，分离的氢原子（通常称为“原子氢”或更精确地“是”原子氢“）非常罕见。相反，氢气倾向于与化合物中的其他原子与其他原子相结合，或本身以形成普通（硅藻或分子）氢气H 2。用原子氢呈现的问题（h⁺)就是它是一个小原子，有能力进入钢铁。当氢是氢分子(H2)时，它变得太大而不能穿过钢。因此，从裂解的角度来看，我们只关心原子氢(H⁺）。

这就是发生的情况:在一定条件下，氢(原子氢)可以扩散到钢中。钢的吸氢可在特定条件下发生，包括低温和高温。

• 低温-在低温下，氢原子形成的结果是:

1. 氢促进剂的腐蚀，如氢₂S和氢氟酸
2. 清洁和酸洗。

• 高温-在高温下，原子氢的形成是由于:

1. 湿焊条将使钢充满氢气
2. 在高温下的服务 - 少量的氢气将使形成可以扩散到钢中的原子氢。

当原子氢进入钢并引起开裂时，这被称为氢脆或氢应力开裂。当氢原子(H+)扩散到金属的高应力部位(如缺口、夹杂物、焊缝缺陷或裂纹)时，就会产生这种特殊类型的脆化。在足够集中的地方，这些氢原子会在金属结构内部施加应力，降低裂纹萌生和扩展的阈值应力，降低延展性(参考:图1)。

参考图1，请注意，铁素体钢只有在超过四个基本因素的关键组合时才会发生氢开裂。这四个基本因素必须在很窄的频段内结合起来才能引起脆化。

氢生成

既然我们对可以产生原子氢的基本了解，让我们更详细地深入了解。

低温制氢

在大多数条件下，在低腐蚀速率下，分子H2会在钢表面形成，并无害地消散到周围的工艺环境中。然而，当硫化物垢存在时，硫化物作为一种负催化剂，阻止两个原子氢分子结合成分子氢的反应。

H⁺+ H⁺→H.²

因此，原子氢穿透钢，在晶体结构中积累，影响钢的力学性能。化合物，如硫化物，氰化物(HCN)，磷，锑，硒和砷(被称为重组毒物)也会干扰原子氢到分子氢的转换。在存在复合毒物时，氢原子的浓度上升，扩散到金属中的氢原子的数量相应增加。

氢破坏是由于腐蚀反应的副产物原子氢的生成，然后原子氢扩散到钢中。钢与水的氢发生腐蚀反应，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2:2h⁺．→H2

如反应1所示，生成了氢原子。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氢原子，从而促进扩散到金属中的氢原子数量的增加。现在反应2还在继续因为氢自然想以H2的形式存在，但不像正常情况下那样快如果没有重组毒素的话。(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，在高温下氢的生成来自上述两个来源。它们是:

1. 湿焊条会给钢注入氢气，或者
2. 在高温下使用-少量氢气会分解形成氢原子，并扩散到钢中。

焊接 - 焊接填充金属中的氢水量足够低，以阻止焊缝中的不利影响，但是从吸湿焊剂中的水/水分（H2O）的分解，可以在焊接区域中存在更大的氢气中的氢气或吸附如果在焊接沉积之前没有正确干燥金属表面，则在金属表面上尚未正确干燥。结果是，H2O现在将形成氢和氧的分子。

服务 - 多种炼油厂在热氢气服务和高压下运行。这些单位是加氢层，重整器和氢气植物。它在这些单元中，氢是过程的一部分，并且由于过程本身的结果，产生氢原子。在存在氢原子的情况下，并且存在足够的温度和压力，原子氢气有机会离开该过程并迁移到钢中。

由于氢带的材料焊接裂缝

铁素体钢是带氢的;这就是焊接的结果。由于焊缝内部存在较大的温度梯度，从任何来源捕获的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现有的陷阱中释放出来。然后氢向熔池迁移，因为氢的溶解度大大增加，在温度升高时扩散率增加。与相对较快的冷却速度相比，焊件氢气逸入相邻母材、热影响区(HAZ)和大气的速度较慢，特别是对于厚度超过1英寸(25.4 mm)的焊件。在焊缝金属和热影响区内的点，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，在焊接的一到两个小时内，一个大型焊接件可能含有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

预焊氢焙烧(脱氢)被认为是消除钢中的氢的必要措施，因为钢在先前的使用过程中已经吸收了扩散氢。问题是，需要什么温度，需要多长时间才能把所有的氢原子移走?一旦该成分从产氢源中移除，就可以通过“低温”热处理来避免带电钢的脆化。困在钢中的氢分子(H2)除非在很高的温度下才能被除去。

传统的烘烤方法各不相同，但典型的做法是将钢中残留的氢原子“烘烤”出来，加热到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。烘烤温度可达到焊接后热处理(PWHT)所需的温度，可用于比PWHT规定的保温时间短的保温时间。

因此，为了消除来自铁素体钢的氢以进行维修，让我们来看看并解决可能，而且可能不会，需要氢烘烤。确定钢将裂缝的一种简单方法是简单地运行焊珠并等待24小时，以评价NDE，并确定材料是否受到破裂。如果铁素体钢是从过程本身充电的氢气（而不是焊接），那么有几件事将决定烘焙的需要：

1. 是氢气充电服务中的钢，如先前所描述的低温或高温服务所定义的？如果没有，那么不需要烘烤。
2. 如果钢铁在氢气充电服务中，我们现在有几个决定来决定我们的行动方针;决定主要是基于材料类型和厚度。

• ASTM A-106管道小于1/2英寸（12.7mm）厚度，不太可能被烘烤，即使它处于湿的H2S服务。在行业中没有出现问题，因为它很少积累足够的氢以成为一个问题。
• 由板材焊接而成的管道，如A-516管道就不同了。这种材料有点“脏”，因此，推荐烘烤。
• 一般来说，始终计划烘烤厚壁船只，或者至少构建该步骤进入维修计划。笔记 -如果内置于计划中，维护会更好地更好，而不是在修复期间添加此耗时步骤。

另一方面，薄壁容器需要更多的判断。问题是，它们够薄吗?它们是否可以进行温和的氢充电?不同的酸性水有不同的倾向促进氢充电。

既然我们已经决定了我们需要烘烤，看看这张图表中的细节。这是利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性和一些假设，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）缩短所需时间。这是因为热能释放氢。温度提高增加氢溶解度和扩散性。请注意，该图表如何在600°F（315°C）上，但普遍认为使用400°F（204°C）“或更高”。毫无疑问，加热至400°F可以做一些良好，但加热到更高的温度更好地确保足够的氢已被移除，因此可以进行修复。

结论

焊接修补前的氢焙烤并不总是需要的。当推荐使用时，传统的“标准”400-600°F(204-315°C)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)，可以实现脱气。在800°F(425°C)时，氢通过钢的速度几乎是600°F(315°C)的两倍。

当在酸性环境中使用时，制成管子的轧制板(如516)是烘烤的备选板。然而，它变得越薄，就越不需要氢去除。

永远记住，铁素体钢只有在超过四个基本因素的关键组合时才会发生氢开裂。当你从方程式中排除氢的含量时，你的材料就不会破裂。图1说明了开裂所需的四个基本因素。

1. 氢含量,
2. 材料 - 易感微观结构（硬度，粒度）
3. 压力，和
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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