芳烴聯(lián)合裝置溶劑再生塔再沸器管束修復(fù)過程分析

伊春梅，李憲亮，康海燕

山東美陵化工設(shè)備股份有限公司 山東淄博 255430

1 序言

某公司芳烴聯(lián)合裝置溶劑再生塔的一臺(tái)插入式再沸器管束（U形），在運(yùn)行過程中發(fā)生了管頭泄漏事故，由我公司負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行改造修復(fù)。經(jīng)檢查，泄漏點(diǎn)在換熱管內(nèi)壁熔合線附近，后經(jīng)水壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)有二十多個(gè)，并且抽出管束后發(fā)現(xiàn)滑道出現(xiàn)多處徑向斷裂（見圖1）。

眾所周知，溶劑再生塔操作波動(dòng)大，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)分析得知，腐蝕和振動(dòng)的聯(lián)合作用最終導(dǎo)致了管束的泄漏。因此為了保證該管束的使用年限，滿足用戶的使用要求，必須從耐蝕性及防振兩方面入手，對(duì)管束進(jìn)行修復(fù)。管束主要參數(shù)見表1。

圖1 滑道斷裂情況

2 修復(fù)方案

2.1 更換管板材質(zhì)

管板原材質(zhì)為16MnⅢ鍛件堆焊S30403，堆焊層厚度為6mm，現(xiàn)整體更換為S22053Ⅳ鍛件。因?yàn)镾22053雙相不銹鋼的鉻含量較高，具有較高的耐氯離子應(yīng)力腐蝕斷裂性能、良好的成形性及焊接性、較好的耐腐蝕性能，所以比較適合用在這種操作條件中。

我們對(duì)用于管板的S22053Ⅳ鍛件提出了以下要求：

1）S22053雙相鋼鍛件材料表面質(zhì)量、力學(xué)性能、尺寸的允許偏差、交貨狀態(tài)、力學(xué)性能和產(chǎn)品標(biāo)記等應(yīng)滿足NB/T47010—2010的規(guī)定。

2）S22053鍛件級(jí)別為Ⅳ級(jí)，供貨狀態(tài)為固溶狀態(tài)，不允許補(bǔ)焊。

3）S22053鍛件化學(xué)成分見表2，力學(xué)性能見表3。

4）S22053鍛件做夏比V型沖擊試驗(yàn)，應(yīng)符合GB/T 229—2007要求，取樣位置在T/2厚度處，試樣軸線為切向，缺口長(zhǎng)度方向應(yīng)垂直于上下表面。

表1 管束主要參數(shù)

表2 S22053化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 S22053鍛件力學(xué)性能

5）S 2 2 0 5 3鍛件逐件取樣，3個(gè)全尺寸（10mm×10mm）試樣的-40℃沖擊吸收能量平均值不得低于54J，允許其中一個(gè)最低值不低于40J。

6）記錄側(cè)向膨脹量和纖維狀斷口百分?jǐn)?shù)供參考。

7）在熱處理后的鍛件上，應(yīng)取樣進(jìn)行金相組織切片檢測(cè)。同一爐號(hào)的材料可用同一試樣。試樣斷面應(yīng)是平衡結(jié)構(gòu)，無有害的第二相，或在顆粒邊界上無沉積物存在。鐵素體含量為40%~60%，且不允許有σ相、X相等有害相的析出。

8）鍛件坯料在相當(dāng)于鋼錠的頭部取樣，按ASTME381經(jīng)酸浸低倍試驗(yàn)不得有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、分層等缺陷。S22053雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量應(yīng)符合PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%的計(jì)算，且不小于35%。

9）按ASTM G36《氯化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)》測(cè)定氯化物應(yīng)力腐蝕。S22053鍛件應(yīng)按照GB/T 4334—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。

2.2 材料分析

S32750是一種鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，它綜合了許多鐵素體和奧氏體鋼的有益性能，由于該鋼Cr、Mo含量都很高，因此具有極好的抗點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕和均勻腐蝕的能力，能夠用于非常惡劣的腐蝕環(huán)境中。而且這種雙相鋼的力學(xué)性能、耐壓強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度也很高，同時(shí)具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的導(dǎo)熱性。S32750鋼化學(xué)成分中還含有約0.3%的N，使其機(jī)械強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼也高出許多[1]。在非常惡劣的腐蝕環(huán)境中，必須使用鎳基合金或鈦等昂貴的金屬材料，而S32750的出現(xiàn)提供了一種相對(duì)低廉的選擇。

S32750不銹鋼焊接時(shí)，不需要對(duì)焊件進(jìn)行預(yù)熱，但應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入量。由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體組織[2]，若熱輸入量過小，熱影響區(qū)冷卻速度過快，轉(zhuǎn)變的奧氏體數(shù)量較少，過量的鐵素體就會(huì)在室溫下過冷保持下來，降低焊接接頭的韌性和抗腐蝕能力。若熱輸入量過大，焊接時(shí)容易引起Cr、Ni、Mo等元素的燒損，冷卻速度太慢，盡管獲得足量的奧氏體，但也會(huì)引起熱影響區(qū)鐵素體晶粒粗大以及σ相等有害金屬相的析出，造成接頭脆化。因此，無論是對(duì)于焊縫還是熱影響區(qū)，都希望焊后在高溫區(qū)冷卻速度不要過快，以便于鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)化，同時(shí)又希望不能冷卻過慢，以防止有害相的產(chǎn)生。其焊接熱輸入量應(yīng)控制在2~15kJ/cm。

S32750不銹鋼焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度。層間溫度過高會(huì)導(dǎo)致焊接過程中熱積累，受熱區(qū)域增大，增加熱影響區(qū)寬度，使焊縫強(qiáng)度及韌性下降。

為避免上述情況的發(fā)生，最佳的措施是控制熱輸入量和層間溫度，并使用填充金屬，這就要求雙相不銹鋼的管頭焊接必須為填絲焊。

2.3 焊接工藝制定

雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫，而在焊縫熱影響區(qū)。經(jīng)過以上對(duì)雙相不銹鋼材料的分析及對(duì)舊管束金相組織的觀察，焊接工藝控制的重點(diǎn)是焊縫熱影響區(qū)。由于該管束的操作工況和運(yùn)行條件非常惡劣，且考慮到振動(dòng)、腐蝕等因素的疊加影響，我們對(duì)雙相不銹鋼焊接提出了更高的要求，并制定了更為嚴(yán)格的工藝程序。

焊接采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊，起弧前開始送氣，熄弧后繼續(xù)送氣至少5s。焊接之前應(yīng)注意焊接坡口的清理，用丙酮對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行擦拭。同時(shí)，嚴(yán)格控制道間溫度＜100℃， 把整塊管板上的所有管接頭劃分縱橫坐標(biāo)，精確到每一個(gè)管接頭的焊接，工藝人員使用紅外測(cè)溫儀現(xiàn)場(chǎng)記錄每一個(gè)管接頭的焊后溫度，并在焊接過程中采用左右對(duì)稱、上下錯(cuò)開的焊接操作順序。采用雙層焊道，后續(xù)焊道對(duì)打底焊道有固溶處理的作用，使奧氏體進(jìn)一步析出，同時(shí)對(duì)進(jìn)一步細(xì)化晶粒、減少碳氮化物都是極其有益的。另外，應(yīng)避免過多的焊絲橫向擺動(dòng)和過寬的熔池，以避免較高的殘余應(yīng)力。

S32750不銹鋼焊接材料選擇原則是焊縫中得到合適的奧氏體和鐵素體比例，并得到相應(yīng)的耐腐蝕性能，因此對(duì)于焊縫金屬，為了獲得足夠數(shù)量的奧氏體組織，焊接材料的選擇尤為重要。這是因?yàn)楹附訒r(shí)采用了與母材化學(xué)成分相同的焊接材料，焊后焊縫中鐵素體含量會(huì)超過70%，為了在焊后得到相應(yīng)的奧氏體相比例，需適當(dāng)提高鎳含量。焊絲采用瑞典Sandvik25.10.4.L（ER2594），焊絲成分見表4，具體焊接參數(shù)見表5。

打底焊不應(yīng)從定位焊起焊。為了避免由于定位焊導(dǎo)致根部焊道出現(xiàn)裂紋，焊工應(yīng)在定位焊點(diǎn)前中斷打底焊，在完全打磨掉該定位焊點(diǎn)后，繼續(xù)根部焊。打底焊完畢后，對(duì)所有焊縫表面進(jìn)行100%PT檢測(cè)，按照NB/T47013.5—2015中I級(jí)檢測(cè)，合格后再進(jìn)行第二層的焊接。焊接完成后，使用鐵素體儀對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行跟蹤測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見表6。

在定位焊和打底焊時(shí)，其背面要被氬氣完全保護(hù)起來。在焊縫表面使用99.99%Ar保護(hù)焊接的同時(shí)，管內(nèi)也要通入99.99%Ar保護(hù)。為此，制作了專門的管內(nèi)背面氣體保護(hù)裝置，打底焊過程中，注意觀察管內(nèi)熱影響區(qū)變化，不得存在熔合線的痕跡。此裝置既能節(jié)約保護(hù)氣體用量，降低成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了其氣體雙面保護(hù)。其保護(hù)裝置如圖2所示。

表4 ER2594化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表5 焊接參數(shù)

表6 鐵素體實(shí)測(cè)數(shù)值（體積分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 焊接保護(hù)裝置

3 結(jié)束語

此管束自交付用戶使用至今，已經(jīng)安全運(yùn)行近一年的時(shí)間，期間并未出現(xiàn)任何的泄漏問題，成功地為用戶解決了這一工藝難題。用于溶劑再生塔的再沸器管束普遍存在易泄漏、使用周期短、更換頻繁的問題。采取以上措施以后，管束的抗振能力、耐蝕性均得到了加強(qiáng)，延長(zhǎng)了管束的使用壽命，有效確保了溶劑再生裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。這對(duì)于以后該類型裝置的設(shè)備設(shè)計(jì)選材、焊接制造等是一個(gè)可借鑒的例證。