蠟油加氫反應(yīng)器出口奧氏體不銹鋼法蘭梯形槽裂紋修復(fù)

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(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210046)

1 裂紋情況

中國石化某分公司蠟油加氫裝置2009年建成投產(chǎn)，設(shè)計規(guī)模2.60 Mt/a，反應(yīng)器及出口彎頭設(shè)計參數(shù)見表1。2017年8月大修期間，對裝置壓力管道進(jìn)行全面檢驗，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器出口彎頭設(shè)備頭側(cè)法蘭底部R角部位存在裂紋，裂紋長度約為540 mm，其宏觀照片見圖1。

表1 反應(yīng)器及出口彎頭設(shè)計參數(shù)

圖1 不銹鋼法蘭梯形槽底部裂紋

將裂紋表面初步打磨處理，采用相控陣檢測進(jìn)行定位檢測(見圖2)，測出該裂紋深度約為6 mm。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》對裂紋評級，評定為Ⅲ級(見表2)。

表2 R101裂紋相控陣檢測結(jié)果

圖2 法蘭梯形槽底部裂紋相控陣檢測

2 裂紋修復(fù)

2.1 修復(fù)方案

法蘭梯形槽底部寬度只有28.9 mm，現(xiàn)場無法采取金相檢測等手段來進(jìn)一步研究判斷裂紋成因。同時，裝置常規(guī)檢修工期只有24 d，該法蘭訂購加工周期長，更換過程的焊接檢測工期更長。經(jīng)過技術(shù)部門反復(fù)論證，確定采用北京某公司高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行缺陷修復(fù)。

該法蘭運行環(huán)境中含H2、高溫油氣和H2S等介質(zhì)，且在高溫高壓的復(fù)雜工況下工作，使用一般焊接技術(shù)修復(fù)會使得法蘭易出現(xiàn)氫致裂紋，給后續(xù)生產(chǎn)過程造成安全隱患。高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)采用高脈沖能量，作用時間短，熱影響區(qū)小，熱輻射半徑0.4～1.6 mm，能保證焊接后材料性能無退化、無宏觀熱變形，實現(xiàn)材料表面的“低溫修復(fù)”，避免焊接過程因溫度過高產(chǎn)生的熱應(yīng)力和基體變形。同時，在修復(fù)過程中用氬氣在電弧周圍形成氣體保護(hù)層，從而防止空氣對熔池及鄰近熱影響區(qū)等部位產(chǎn)生不良影響。

2.2 修復(fù)前準(zhǔn)備

(1)根據(jù)著色探傷(PT)結(jié)果和相控陣檢測確定裂紋范圍及深度；對裂紋部位進(jìn)行除油、除銹等預(yù)處理。

(2)采用不銹鋼磨頭進(jìn)行機(jī)械打磨，將金屬表皮去除，消除裂紋，直至露出無缺陷基體材料。注意清除裂紋時不能使用碳弧氣刨等方式，防止增加坡口邊緣的淬硬傾向，影響焊接質(zhì)量。

(3)打磨坡口為梯形，坡口寬度為5～10 mm，打磨過程中需采取PT探傷檢查。隨著打磨的進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)裂紋呈階梯狀擴(kuò)展，見圖3。打磨后測得該裂紋總長約580 mm，且8處裂紋缺陷打磨深度均在5 mm以上才徹底消除，其中最深達(dá)24 mm。待裂紋消除后，對打磨處表面修整，再進(jìn)行PT探傷，未發(fā)現(xiàn)裂紋為打磨合格(見圖4)。

圖3 機(jī)械打磨及裂紋擴(kuò)展形貌

圖4 裂紋消除后梯形槽底部PT檢測

2.3 熱處理及補(bǔ)焊

2.3.1 補(bǔ)焊材料選擇

高能脈沖精密冷補(bǔ)技術(shù)通過采用斷續(xù)的高能電脈沖在母材及電極之間產(chǎn)生瞬時電弧，電弧瞬間將修復(fù)材料和基體迅速熔結(jié)在一起。電弧持續(xù)時間約為幾十毫秒，而兩個電弧之間的間隔時間約為幾十毫秒到上百毫秒，從而保證實現(xiàn)“低溫修復(fù)”[1]。該次冷補(bǔ)采用ER321補(bǔ)焊材料，該補(bǔ)材抗拉強(qiáng)度(Rm)為575 MPa，伸長率(A)為40%，其化學(xué)成分見表3。

表3 補(bǔ)材化學(xué)成分 w，%

2.3.2 消氫熱處理

實際補(bǔ)焊時，引弧后發(fā)生炸裂現(xiàn)象，導(dǎo)致無法繼續(xù)修復(fù)。主要原因是該彎頭處于高溫高壓臨氫工作環(huán)境，母材中仍含有許多未逸出的氫原子，造成引弧炸裂現(xiàn)象，補(bǔ)焊時也容易引起裂紋。

理論上來說，奧氏體不銹鋼具有較低的氫脆敏感性，氫在奧氏體不銹鋼中的滲透擴(kuò)散能力低，且受合金成分、冷加工狀態(tài)和熱處理狀態(tài)的影響不大[2-3]，奧氏體不銹鋼返修可以不消氫。鑒于實際補(bǔ)焊過程發(fā)現(xiàn)不消氫無法焊接的問題，經(jīng)技術(shù)論證，決定進(jìn)行消氫處理，加速焊接部位氫的逸出，改善焊接性能。具體熱處理工藝如下：(1)整個彎管用熱處理爐加熱消氫。進(jìn)爐擺放要墊平整，以防彎管變形，且擺放時返修法蘭擺在爐內(nèi)溫度較高區(qū)域。(2)前期溫度低時，可只用點火棒加熱，確保升溫均勻。(3)消氫處理溫度400 ℃，恒溫4 h，升溫速度控制在50 ℃/h。(4)恒溫后先隨爐冷卻， 200 ℃后出爐空冷。(5)采用熱電偶測溫，并用自動記錄儀記錄熱處理曲線，見圖5。

圖5 消氫熱處理工藝曲線

2.3.3 補(bǔ)焊修復(fù)

消氫結(jié)束后，再次進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。補(bǔ)焊時從底部逐層堆焊直到修復(fù)層高于基準(zhǔn)面，并適當(dāng)留出余高。焊接過程中采用紅外測溫儀測溫，控制層間溫度不超過100 ℃。

凹坑的修復(fù)過程如圖6所示。在修復(fù)前必須對凹坑進(jìn)行整形和表面凈化處理，如果凹坑較小(見圖6a)，可用旋轉(zhuǎn)工具進(jìn)行擴(kuò)大，保證下凹表面的曲率半徑不得小于20 mm(見圖6b)，保證電極能夠深入到凹坑的底部并進(jìn)行施焊。修復(fù)時從底部開始施焊，并不斷調(diào)整電極的方向(見圖6c及圖6d)，保證每一個修復(fù)層均勻，且不留死角。修復(fù)的厚度根據(jù)凹坑的深度而定，但必須略高于所要恢復(fù)的基體表面(見圖6e)。最后打磨修整修復(fù)部位(見圖6f)，使修復(fù)部位的高度、平整度等和基體一致。

圖6 凹坑的修復(fù)過程示意

修復(fù)過程中質(zhì)量控制要求如下：

(1)嚴(yán)格按照修復(fù)工藝參數(shù)進(jìn)行修復(fù)。

(2)修復(fù)過程中電極慢速均勻運動，要求焊點連續(xù)、致密。

(3)氬氣保護(hù)充分。氬氣流量為8～12 L/min，防止電極和焊層氧化。

(4)如果修復(fù)部位呈現(xiàn)碳黑色，說明表層產(chǎn)生了氧化或碳化，繼續(xù)修復(fù)會出現(xiàn)接合不良以及結(jié)晶層粗糙等問題。此時必須用角磨機(jī)、銼刀、油石或砂紙來磨除表層的碳黑層，裸露出新鮮金屬層后再進(jìn)行操作，以確保修復(fù)層質(zhì)量。

2.4 修復(fù)層表面加工和檢測

在修復(fù)過程中，要求修復(fù)層高于母材基準(zhǔn)面，因此需要后續(xù)機(jī)加工。主要采用角磨機(jī)、鋼絲刷、磨具或銼刀等工具，通過打磨、研磨乃至拋光的方法處理焊接修復(fù)部位，使低溫焊接修復(fù)后的表面曲率及表面光潔度與法蘭其他部位保持一致。

最后，對修復(fù)層表面進(jìn)行宏觀檢查，確保修復(fù)層光滑平整，焊層均勻致密，與基體連接處光滑平整。采用PT檢查確認(rèn)無焊接缺陷。補(bǔ)焊后形貌如圖7所示。

3 結(jié)論及建議

該反應(yīng)器彎頭缺陷修復(fù)成功后進(jìn)行回裝，運行正常，未發(fā)生開裂和泄漏現(xiàn)象。由于梯形槽底部面積小，無法進(jìn)行詳細(xì)檢查，但從工作環(huán)境及裂紋形態(tài)分析，該裂紋屬于氫致裂紋。結(jié)合該次缺陷修復(fù)處理情況，對高壓厚壁奧氏體不銹鋼設(shè)備的檢修以及防止開裂提出以下建議:

圖7 修復(fù)完成后法蘭外觀及PT檢測

(1)為防止低價中標(biāo)造成的惡性競爭，建設(shè)單位要認(rèn)真編寫關(guān)鍵設(shè)備材料的采購技術(shù)文件，提高技術(shù)門檻，保證原材料的質(zhì)量。對高壓加氫反應(yīng)器使用的奧氏體不銹鋼TP321鍛件，可以提出高于國家標(biāo)準(zhǔn)的具體要求，如晶粒度等級要求，不均勻度要求等。加氫裝置反應(yīng)單元不銹鋼管道使用溫度約為400 ℃，屬于高溫區(qū)前段，主要考慮材質(zhì)的高溫蠕變性能和高溫抗氧化性能。高溫蠕變性能與晶粒度有關(guān)，晶粒較大，高溫蠕變性能較好，但常溫力學(xué)性能較差，且高溫抗氧化性能也較差，所以要求晶粒度等級適中為宜。

(2)設(shè)備、管件制造過程熱成型加工完成后，嚴(yán)格按照設(shè)計技術(shù)文件進(jìn)行熱處理以便改善不銹鋼抗敏化性能。

(3)裝置運行過程中要平穩(wěn)操作，反應(yīng)系統(tǒng)升溫、升壓嚴(yán)格按照設(shè)備操作規(guī)程進(jìn)行，維護(hù)好設(shè)備運行狀態(tài)。

(4)加氫裝置停工降溫后，反應(yīng)單元及時按照要求進(jìn)行充裝氮氣保護(hù)或者中和清洗。嚴(yán)格按照NACE RP0170—2012《煉油廠停工期間奧氏體不銹鋼設(shè)備連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂的預(yù)防》要求進(jìn)行防護(hù)。