N6復(fù)合板堿熔釜修復(fù)的思索

劉欣中

（吉林石化公司建修公司 吉林吉林）

N6復(fù)合板堿熔釜R101A、B、C、D共8臺(tái)，外形結(jié)構(gòu)如圖1。N6復(fù)合板堿熔釜操作壓力2.5～-0.05 MPa；操作溫度190℃；介質(zhì) NaOH（70%）、Na2SO4、甲醇等。容器材料16MnR（24 mm）+N6（3 mm）。容器類別Ⅲ類。焊接16MnR-16MnR，手工電弧焊，焊條 J507；16MnR-N6，N6-N6手工氬弧焊，焊絲ENi-1。

一、缺陷發(fā)現(xiàn)過(guò)程

1.N6復(fù)合層鼓包（脫層）

生產(chǎn)車間在設(shè)備正常檢修期間,發(fā)現(xiàn)釜底N6復(fù)合層產(chǎn)生鼓包（脫層），最大的鼓包發(fā)生在乙車間R101A的底部,面積大約600 mm×500 mm，通知制造廠對(duì)鼓包缺陷進(jìn)行修復(fù)。

圖1 堿熔釜外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 垂直于焊縫的裂紋

2.N6復(fù)合層焊接熱裂紋

初始N6復(fù)合層鼓包修復(fù)方法。將脫層的N6復(fù)合層取下，邊緣采用搭接焊、內(nèi)部采用N6板中間磨8 mm×100 mm長(zhǎng)孔篩焊的方法，焊接采用氬弧焊N6-N6，16MnR-N6，焊絲ENi-1。在N6-N6焊接時(shí)，篩焊焊道兩側(cè)產(chǎn)生長(zhǎng)約20 mm，間距5 mm的密集熱裂紋，并伴有嚴(yán)重的氣孔。雖采用調(diào)整電流、焊速、限制焊接擺動(dòng)等措施，但效果無(wú)明顯改觀，N6復(fù)合層修復(fù)工作失敗。

3.16 MnR基層堿脆

在此期間，乙車間R101D堿熔釜上封頭環(huán)焊縫出現(xiàn)物料滲出，在外壁做表面MP檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該堿熔釜上封頭16MnR基層環(huán)焊縫有4條垂直于環(huán)焊縫，長(zhǎng)度為80 mm，間隔150 mm左右的裂紋。人孔、接管的焊縫處也存在裂紋，見(jiàn)圖2、圖3。

在對(duì)16MnR基層的外側(cè)打磨后發(fā)現(xiàn)，隨著裂紋的深入，缺陷面積擴(kuò)大，對(duì)其進(jìn)行PT檢驗(yàn)，可以看到裂紋由里向外擴(kuò)展，呈網(wǎng)狀。內(nèi)側(cè)裂紋細(xì)小、密集；外側(cè)裂紋粗大稀疏。工廠委托檢驗(yàn)單位對(duì)8臺(tái)堿熔釜進(jìn)行全面檢驗(yàn)并且在人孔根部發(fā)生裂紋的16MnR基層部位取樣，委托哈焊所進(jìn)行理化和金相分析，報(bào)告結(jié)果顯示：金相試件浸蝕后，顯示裂紋顯微形貌如圖4所示，裂紋以沿晶擴(kuò)展為主，局部區(qū)段為穿晶擴(kuò)展；裂紋有顯微分枝。裂紋覆蓋物含有Na質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.35%，S質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.52%。

經(jīng)了解N6復(fù)合板堿熔釜內(nèi)的反應(yīng)介質(zhì)含有NaOH（70%）、Na2SO4等 。顯然 NaOH（70%）堿溶液滲透到16MnR基層，在應(yīng)力和堿溶液溫度、濃度的共同作用下產(chǎn)生了堿脆。介質(zhì)中含S，也揭示了劣化N6復(fù)合層產(chǎn)生焊接熱裂紋的原因。

16MnR基層堿脆和N6復(fù)合層焊接熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)理已在《堿熔釜N6復(fù)合層的修復(fù)》、《再談N6復(fù)合板堿熔釜的修復(fù)》文章中闡述，本文不再贅述。

4.N6復(fù)合層的氣孔

在N6復(fù)合層鼓包和產(chǎn)生堿脆的16MnR基層部位的N6復(fù)合層表面和焊縫進(jìn)行表面PT檢測(cè)，同樣發(fā)現(xiàn)大量氣孔。氣孔大約10個(gè)/cm2，孔徑0.3 mm左右。

N6復(fù)合層的氣孔分為3個(gè)來(lái)源。（1）封頭轉(zhuǎn)角處N6復(fù)合層鼓包處的氣孔，是由于封頭熱壓時(shí)加熱溫度過(guò)高導(dǎo)致的N6復(fù)合層被氧化（劣化），經(jīng)腐蝕產(chǎn)生的針孔。（2）原N6復(fù)合層焊縫的氣孔，是設(shè)備制造時(shí)N6復(fù)合層焊接產(chǎn)生的氣孔。（3）初始N6復(fù)合層修復(fù)焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔。

由于焊接時(shí)，對(duì)N6復(fù)合層表面處理不徹底，使用N6板裁剪的焊絲（無(wú)抗氣孔、抗熱裂紋性能），導(dǎo)致在焊接時(shí)產(chǎn)生的氣孔（修復(fù)時(shí)，環(huán)境惡劣，ENi-1焊絲也已不合適）。

5.主要缺陷分布

根據(jù)檢驗(yàn)單位對(duì)全部8臺(tái)堿熔釜進(jìn)行全面的檢驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計(jì)主要缺陷分布見(jiàn)表1、表2。

二、缺陷修復(fù)（主要部分）

1.16MnR堿脆部位的修復(fù)

圖3 人孔與接管焊縫處裂紋照片

圖4 裂紋顯微形貌

首先將覆蓋上面的N6復(fù)合層剝離，其距離：焊縫坡口邊緣向外至60 mm；從設(shè)備外側(cè)對(duì)裂紋進(jìn)行砂輪打磨，深度約15 mm；PT檢測(cè)，確認(rèn)坡口周邊無(wú)裂紋，每次PT檢測(cè)后用不銹鋼電刷進(jìn)行抽刷，清理滲透劑及顯影劑等污物；預(yù)熱100℃；SMAW第一層（焊接材料：底層，充填，蓋面均為507焊條）；SMAW填充，每層焊完后，用風(fēng)鏟錘擊打焊道，消除焊接應(yīng)力；SMAW 蓋面；從設(shè)備內(nèi)側(cè)返修，打磨深度約12 mm，其他工藝同上；將焊縫余高磨平，與母材齊平；RT檢測(cè),Ⅱ合格。

2.對(duì)16MnR堿脆修復(fù)部位的熱處理

將16MnR基層返修部位，焊縫坡口邊緣向外至60 mm的N6復(fù)合層剝離，目的是為了增加N6復(fù)合層對(duì)熱處理部位的距離。使N6復(fù)合層的熱影響降低到最??；依據(jù)HGJ18-89合理地降低熱處理溫度，增加保溫時(shí)間。熱處理溫度550℃，保溫2 h。在熱處理部位與N6復(fù)合層隔離帶，用潮濕抹布適度冷卻，防止相鄰N6復(fù)合層被氧化；用紅外線測(cè)溫儀對(duì)熱處理溫度嚴(yán)密監(jiān)控。

3.N6復(fù)合層的修復(fù)（鼓包、含氣孔的焊縫、堿脆部位N6復(fù)合層）

對(duì)設(shè)備內(nèi)側(cè)16MnR基層返修后焊道表面用不銹鋼電動(dòng)刷進(jìn)行抽刷清理（在設(shè)備內(nèi)不允許用丙酮清理）；對(duì)修復(fù)后的16MnR焊道表面采用GTAW 方式進(jìn)行堆焊，焊絲選擇：ERNi-1(抗氣孔、焊接熱裂紋性能較強(qiáng))，層數(shù)為3層，層間溫度250℃（每層完成后應(yīng)進(jìn)行PT檢驗(yàn)，并用不銹鋼電動(dòng)刷進(jìn)行抽刷清理）。N6復(fù)合層焊接時(shí)，必須嚴(yán)格按N6焊接規(guī)范進(jìn)行焊接，防止焊絲和母材污染。

4.缺陷修復(fù)后效果

采用以上整體修復(fù)方法，設(shè)備運(yùn)行3個(gè)月后觀察，介質(zhì)未對(duì)修復(fù)后的N6復(fù)合層表面產(chǎn)生腐蝕。在封頭上環(huán)焊縫發(fā)生堿脆修復(fù)部位，雖然進(jìn)行了熱處理，但由于焊接應(yīng)力的作用，外壁表面還是產(chǎn)生約3 mm的凹陷變形，對(duì)內(nèi)側(cè)N6復(fù)合層表面未產(chǎn)生影響。

三、修復(fù)過(guò)程的思索

1.對(duì)16MnR堿脆發(fā)生部位的研究

對(duì)堿熔釜發(fā)生堿脆裂紋的部位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其幾乎全部集中在堿熔釜的上部，即封頭環(huán)焊縫和人孔、接管根部的16MnR基層焊縫及熱影響區(qū)。經(jīng)分析堿脆集中發(fā)生在上封頭，可能有以下兩方面原因。

表1 缺陷分布統(tǒng)計(jì)

表2 缺陷分布統(tǒng)計(jì)

（1）從堿熔釜的結(jié)構(gòu)上看，由于堿熔釜外部距離封頭環(huán)焊縫下500 mm處開(kāi)始，有外蛇管與筒體外壁以角焊縫的形式連接在一起。在對(duì)外蛇管進(jìn)行焊接的過(guò)程中，實(shí)際上也對(duì)相應(yīng)部位的16MnR基層焊縫起到了焊后熱處理的作用。一定程度上消除了16MnR基層的焊接應(yīng)力，堿脆（應(yīng)力腐蝕）受到了明顯的抑制。

（2）上封頭氣—液相區(qū)的NaOH會(huì)更加富集，濃度會(huì)更高，化學(xué)性質(zhì)也會(huì)更加活躍。同時(shí)，由于在反應(yīng)介質(zhì)中還有Na2SO4、甲醇、T酸等，在195℃溫度和2.5 MPa壓力的作用下是否生成氫氣、烴類、及H2S等，促使16MnR基層的應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生。

2.對(duì)封頭部位N6復(fù)合層產(chǎn)生劣化的研究

（1）溫度對(duì)N6復(fù)合層的影響。根據(jù)封頭缺陷的統(tǒng)計(jì)分析，N6復(fù)合層鼓包部位，集中在下封頭。該部位的復(fù)合層都有被氧化的特征。這是因?yàn)镹6的氧化溫度上限：540～750℃，在對(duì)16MnR（24 mm）+N6（3 mm）復(fù)合板封頭在熱壓過(guò)程中，由于壁厚，加熱溫度過(guò)高而且不均勻，防氧化措施不利，導(dǎo)致封頭局部轉(zhuǎn)角處N6復(fù)合層被嚴(yán)重氧化。經(jīng)介質(zhì)腐蝕，產(chǎn)生了細(xì)小但通透的空隙。介質(zhì)液體滲入復(fù)合層界面，在外蛇管195℃的烘烤下和-0.05MPa真空作用下，液體迅速汽化，形成較大內(nèi)壓力，形成N6復(fù)合層鼓包，氣孔中含有S等其他元素。

（2）封頭壁厚對(duì)N6復(fù)合層的影響。從以上分析可以看出，16MnR（24 mm）+N6（3 mm）的厚度，是采用熱壓封頭工藝的主要原因。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)壁厚進(jìn)行校核后發(fā)現(xiàn)，16MnR（16 mm）+N6（3 mm）完全可以符合設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。采用旋壓封頭，可避免熱壓封頭對(duì)N6復(fù)合層的氧化。計(jì)算結(jié)果（略）?？紤]容器上部攪拌傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷通過(guò)減速機(jī)底座，作用到封頭上應(yīng)力微小，可忽略不計(jì)。為了慎重，可在封頭上焊接加強(qiáng)筋，保證封頭的穩(wěn)定性。筒體外壓應(yīng)力校核（略），計(jì)算結(jié)果符合要求。同時(shí)筒體纏繞Φ57 mm×3.5 mm加熱蛇管，與筒體外壁角焊縫連接。蛇管外壁間距50 mm,由于筒體纏繞加熱蛇管部位起到了加強(qiáng)環(huán)的作用,保證了筒體的穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算，16 MnR（16 mm）+N6（3 mm）完全滿足Pc1（內(nèi)壓）=2.5 MPa；Pc2（真空）=-0.05 MPa的載荷要求。

16MnR（16 mm）+N6（3 mm）復(fù)合板制作橢圓封頭，可采用成功案例：封頭旋壓的方法。旋壓時(shí)，成型輪全經(jīng)拋光后清洗去除油銹,旋壓時(shí)為了保證貼合率不受影響，用80℃加熱成型,溫度用紅外測(cè)溫筆測(cè)量。這樣加熱溫度大大降低，就可避免N6復(fù)合層加熱時(shí)被氧化。

3.N6復(fù)合板堿熔釜整體制造工藝研究

設(shè)備整體組焊時(shí)，制造單位對(duì)N6材料的熱敏性和可焊性認(rèn)識(shí)不足。N6復(fù)合層焊接未按N6焊接規(guī)范制定工藝，并進(jìn)行施工，導(dǎo)致焊縫存在大量氣孔。片面追求效益，未選擇抗氣孔和抗熱裂紋的焊絲，而是采用N6板裁剪焊絲，用于N6復(fù)合層焊接。由于N6焊接時(shí)對(duì)環(huán)境要求十分嚴(yán)格，而制造廠在施工時(shí)，未對(duì)N6復(fù)合層坡口和焊絲用丙酮進(jìn)行嚴(yán)格的清理，對(duì)環(huán)境灰塵、濕度等也未進(jìn)行控制。

N6復(fù)合層焊縫質(zhì)量是保證設(shè)備整體質(zhì)量的關(guān)鍵。制造過(guò)程中，應(yīng)對(duì)N6復(fù)合層焊縫進(jìn)行全面和規(guī)范的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生嚴(yán)重的氣孔，應(yīng)及時(shí)修改焊接工藝，并對(duì)產(chǎn)生氣孔的N6復(fù)合層焊縫進(jìn)行徹底地清理，重新焊接。

對(duì)于盛裝有應(yīng)力腐蝕的N6復(fù)合板壓力容器，可采用柔性石墨纏繞墊片，密封人孔及法蘭，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行抽真空，然后在熱處理溫度不超過(guò)600℃的情況下，在外焊縫用加熱帶，對(duì)設(shè)備焊縫進(jìn)行消除焊接應(yīng)力。內(nèi)部N6復(fù)合層在真空保護(hù)下，防止被氧化。

4.對(duì)檢維修工作的思索

N6復(fù)合板堿熔釜返修工作是由制造廠家完成的，但是修復(fù)工作的曲折經(jīng)歷，對(duì)于檢維修單位具有很多啟示。

堿熔釜的修復(fù)工作，是從N6復(fù)合層鼓包修復(fù)工作開(kāi)始，由于不了解石油化工企業(yè)中反應(yīng)介質(zhì)的特性，從復(fù)合層鼓包缺陷局部考慮問(wèn)題，單純地從焊接的角度來(lái)修復(fù)，使修復(fù)工作走了很多彎路。例如初始階段，沒(méi)有考慮到NaOH（70%）、Na2SO4對(duì)材料的作用，是導(dǎo)致無(wú)法解決N6復(fù)合層焊接熱裂紋，致使修復(fù)工作停頓的主要原因。而且第一時(shí)間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)封頭N6復(fù)合層氧化部位和焊縫氣孔，NaOH通過(guò)氣孔導(dǎo)致的堿脆的產(chǎn)生，險(xiǎn)些造成重大安全事故。

從以上修復(fù)工作看到，N6復(fù)合板堿熔釜存在的缺陷種類多、分布廣，由于設(shè)備原帶缺陷和反應(yīng)介質(zhì)及工藝條件共同作用，產(chǎn)生次生缺陷，關(guān)系比較復(fù)雜，具有隱蔽性和嚴(yán)重的安全隱患。這就要求檢維修企業(yè)的工程技術(shù)人員在遇到這樣的問(wèn)題時(shí)，不僅要求有堅(jiān)實(shí)地本專業(yè)知識(shí)，還要具備對(duì)石油化工生產(chǎn)裝置的工藝和反應(yīng)介質(zhì)的了解，依據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行分析和制定全面的修復(fù)方案。因此，復(fù)合板壓力容器缺陷修復(fù)，必須做好以下工作。

現(xiàn)場(chǎng)勘察，詳細(xì)觀察和記錄主要缺陷及分布；審閱設(shè)計(jì)圖紙，了解工藝參數(shù)，反應(yīng)介質(zhì)等；進(jìn)行全面檢測(cè)，根據(jù)情況進(jìn)行理化和金相分析；對(duì)缺陷的產(chǎn)生進(jìn)行科學(xué)地分析（注意介質(zhì)對(duì)材料的作用）；制定全面的修復(fù)方案；技術(shù)交底和規(guī)范施工（監(jiān)督工藝紀(jì)律執(zhí)行情況）；修復(fù)部位檢驗(yàn)；設(shè)備耐壓試驗(yàn)。

四、小結(jié)

N6復(fù)合層設(shè)備制造單位應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和本單位《焊評(píng)》，制定焊接工藝，嚴(yán)格工藝紀(jì)律。實(shí)踐證明，焊接方面的缺陷，往往是因?yàn)槲窗匆?guī)范施工所造成的。設(shè)備制造完成后，可采用內(nèi)部抽真空，外部焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，避免復(fù)合層產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致基層發(fā)生堿脆。

設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)N6復(fù)合板壓力容器時(shí)，在保證設(shè)備的強(qiáng)度和穩(wěn)定性前提下，還要盡量減少不必要的基層厚度，減輕封頭制造的壓力。

N6復(fù)合板壓力容器使用和檢測(cè)單位，應(yīng)特別注意盛裝NaOH、H2S、液氨及烴類等易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕介質(zhì)的復(fù)合板壓力容器設(shè)備的管理。不但要定期對(duì)內(nèi)表面復(fù)合層焊縫及重點(diǎn)部位做詳細(xì)的檢測(cè)，對(duì)容器的外部也要進(jìn)行檢測(cè)，特別注意對(duì)復(fù)合板設(shè)備上封頭外部焊縫的檢測(cè)，定期檢驗(yàn)和日常的宏觀檢驗(yàn)相結(jié)合。

檢維修單位在對(duì)復(fù)合板壓力容器修復(fù)前，首先應(yīng)對(duì)缺陷的特征和分布進(jìn)行實(shí)地勘察，了解反應(yīng)介質(zhì)對(duì)材料的影響，根據(jù)檢驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)行科學(xué)地分析，制定全面的修復(fù)方案。