典型在役壓力容器的缺陷分析與重大維修

張劉偉 崔金濤(.南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 0000；.洛陽(yáng)卓達(dá)石化設(shè)備有限公司，河南 洛陽(yáng) 47000)

0 引言

某廠脫水裝置脫水塔已安全運(yùn)行8 年，定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該設(shè)備焊縫上多處橫向超標(biāo)缺陷，埋藏缺陷深度最深達(dá)到42.1mm，最長(zhǎng)30mm。根據(jù)TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》，安全狀況等級(jí)評(píng)定為5 級(jí)。《定檢規(guī)》要求：安全狀況等級(jí)為5 級(jí)的，應(yīng)當(dāng)對(duì)缺陷進(jìn)行處理，否則不得繼續(xù)使用。為消除隱患，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)埋藏缺陷進(jìn)行了定性，并制定了可行的維修方案。

1 設(shè)備概述

1.1 脫水塔主要設(shè)計(jì)參數(shù)

壓力容器類別為II 類。介質(zhì)：TEG、天然氣；設(shè)計(jì)壓力9.1MPa，工作壓力8.1MPa；設(shè)計(jì)溫度：90/160℃；設(shè)計(jì)制造規(guī)范：GB150—1998《鋼制壓力容器》、TSG R0004-1999《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》；規(guī)格型號(hào)Φ1700×14673mm，上段筒體是58mm 的16MnR 板材，下段筒體是(54+3)mm 的16MnR+316L 復(fù)合板。技術(shù)要求16MnR 板材化學(xué)成分：S≤0.01%。

1.2 脫水塔外形結(jié)構(gòu)

圖1 為脫水塔外形結(jié)構(gòu)圖。

圖1 脫水塔外形結(jié)構(gòu)圖

2 缺陷檢測(cè)和分析定性

2.1 缺陷檢測(cè)

在役設(shè)備定期檢驗(yàn)時(shí)，UT 檢測(cè)縱縫發(fā)現(xiàn)A3、A4、A5、A6有多處橫向超標(biāo)缺陷，埋藏缺陷最深達(dá)到42.1mm，最長(zhǎng)30mm。

2.2 缺陷分析定性

脫水塔返回原制造廠后，對(duì)焊縫進(jìn)行表面檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。在設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)，在脫水塔表面布置聲發(fā)射傳感器，未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性缺陷。

依據(jù)射線檢測(cè)確定埋藏缺陷平面投影的位置、大小，依據(jù)超聲檢測(cè)確定埋藏缺陷的深度和相對(duì)位置，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選取焊縫缺陷當(dāng)量尺寸較大的部位對(duì)脫水塔本體縱焊縫A3、A5 取樣，分別為1#試樣和2#試樣。

1#試樣裂紋1～4 以平行于焊道的平面，從外焊縫向內(nèi)焊縫方向打磨，缺陷見(jiàn)圖2。2#試樣以平行于焊道的平面，從外焊縫向內(nèi)焊縫方向打磨，缺陷見(jiàn)圖3，其中點(diǎn)缺陷經(jīng)再次打磨后消失。

圖2 1#試樣

圖3 2#試樣

斷口及能譜分析顯示：裂紋自身高度2～5mm，斷面粗糙，存在金屬小顆粒；掃描電鏡裂紋微觀形貌分析見(jiàn)圖4，啟裂區(qū)以浮云狀白點(diǎn)為主，擴(kuò)展區(qū)存在明顯的擴(kuò)展條紋和魚(yú)眼型白點(diǎn)，人為撕裂區(qū)以韌窩為主。

圖4 掃描電鏡裂紋微觀形貌分析

1#和2#試樣焊接接頭硬度檢測(cè)、化學(xué)分析、沖擊性能均符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，焊縫金相組織、非金屬夾雜物正常。綜合對(duì)埋藏缺陷的分析，得出結(jié)論：焊縫中的缺陷主要為夾渣、氣孔、白點(diǎn)和焊接延遲裂紋。

3 維修方案的制定

3.1 維修范圍

作為對(duì)比，脫水塔筒體板材經(jīng)過(guò)100%的超聲波檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，缺陷僅存在于焊縫中，維修范圍界定為對(duì)筒體縱、環(huán)縫焊縫金屬進(jìn)行整體更換。原制造工藝，下段復(fù)合板基層采用埋弧焊絲H10MnSi，焊劑HJ431；標(biāo)準(zhǔn)更新后，按照NB/T 47014—2015《壓力容器焊接規(guī)程》編制說(shuō)明3 提到Q345R 埋弧焊時(shí)也可以使用HJ431+H10MnSi，但前提是不進(jìn)行焊后熱處理。由于本設(shè)備需整體消應(yīng)力熱處理，下段復(fù)合鋼基層原采用的是H10MnSi+HJ431，已不適用；重新焊接時(shí)，采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的H10Mn2 焊絲，配合SJ101 焊劑重新焊接。原工藝，上段16MnR采用H09MnSH 焊絲，配合SJ204SH 焊劑焊接，重新焊接時(shí)用S、P 含量更低的H09MnSHA 焊絲，配合SJ204SHA 焊劑。

3.2 維修方法

3.2.1 模擬試塊驗(yàn)證

模擬焊接試件兩件，分別模擬上、下段焊接。采用原焊接工藝焊接、熱處理后，將焊縫金屬清除，按照維修方案制定的新焊接工藝重新焊接，經(jīng)NB/T 47013—2015 無(wú)損檢測(cè)合格，并進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理。兩件試件加工后，按照NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 尺寸控制

縱焊縫采用碳弧氣刨先從內(nèi)側(cè)清除2/3 的原焊縫金屬厚度，重新焊接完畢后，再?gòu)耐鈧?cè)清除大于1/3 的原焊縫金屬厚度，再重新焊接?？v縫焊接后，如圓度超標(biāo)，對(duì)筒節(jié)進(jìn)行校圓，然后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。環(huán)焊縫若無(wú)法解決環(huán)焊縫置換后的收縮累積，返修后將降低設(shè)備整體高度，無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)管線安裝。須全部割開(kāi)并進(jìn)行工藝補(bǔ)償方能保證設(shè)備總高度。首先對(duì)所有環(huán)縫進(jìn)行定位尺寸標(biāo)記，以便再次組對(duì)時(shí)保證設(shè)備原高度，然后再采用半自動(dòng)氣割將所有環(huán)縫割開(kāi)，采用大型立車加工雙U 型坡口，防止因焊接應(yīng)力過(guò)大，造成焊接變形。加工坡口時(shí)應(yīng)將原焊縫金屬全部清除，保證坡口加工后，焊縫缺陷全部清除。因焊縫切割勢(shì)必會(huì)對(duì)筒體的長(zhǎng)度及寬度造成影響，所以有必要對(duì)坡口焊接采用加寬加長(zhǎng)處理方法，在環(huán)縫鈍邊中間增加墊板，內(nèi)側(cè)焊后從外側(cè)清除墊板，從而達(dá)到保證焊接質(zhì)量和設(shè)備尺寸的目的?？紤]焊后收縮，應(yīng)先采用兩個(gè)無(wú)接管的筒節(jié)進(jìn)行組對(duì)，再原定位尺寸的基礎(chǔ)上增加3mm 寬度，整條環(huán)縫焊后進(jìn)行原定位尺寸測(cè)量，保證焊接收縮后，高度與原定位尺寸一致；若不一致，可以在其他筒節(jié)上進(jìn)行調(diào)整。

3.2.3 維修焊接工藝

復(fù)合板段坡口加工時(shí)，應(yīng)對(duì)復(fù)層進(jìn)行剝邊5～10mm，防止基層焊接時(shí)，基層焊縫金屬熔到不銹鋼層。使用5%硝酸酒精溶液腐蝕剝邊部位，以確定不銹鋼層全部剝離干凈。焊前坡口兩側(cè)200mm 范圍內(nèi)刷白堊粉，防止焊接飛濺污染不銹鋼表面。

因設(shè)備直徑小，厚度大，焊縫拘束度大，上段和下段復(fù)合板基層焊接時(shí)，應(yīng)對(duì)焊縫100mm 范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度200～250℃，層間溫度200～300℃。

環(huán)縫應(yīng)采用整圈預(yù)熱，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行消氫處理300℃，保溫1h，便于氫原子從焊縫中逸出，防止產(chǎn)生冷裂紋。焊接時(shí)，應(yīng)采用多層多道焊，不僅能便于焊渣和氣孔逸出，還能提高焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能。如中間停止焊接，應(yīng)對(duì)已焊接焊縫金屬進(jìn)行消氫處理，再次焊接時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行預(yù)熱?？v縫預(yù)熱可采用溫控儀，在焊接側(cè)的背面布置加熱帶，在埋弧焊導(dǎo)軌下點(diǎn)焊熱電偶，焊接完畢后可直接進(jìn)行消氫；因環(huán)縫焊接時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)筒體，無(wú)法在環(huán)縫上布置加熱帶，可采用火焰加熱法，使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，焊接完畢后，應(yīng)及時(shí)在筒體內(nèi)部焊縫表面布置加熱帶，并在筒體外側(cè)點(diǎn)焊熱電偶后使用保溫棉保溫，進(jìn)行300℃消氫，保溫1h。具體焊接參數(shù)如表1 所示。

3.2.4 無(wú)損檢測(cè)

焊縫外觀檢查合格后，按照NB/T 47013—2015 進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)：100% TOFD 平行及非平行方向掃查，Ⅰ級(jí)合格；100%RT，技術(shù)等級(jí)B，Ⅰ級(jí)合格；100%UT 檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。下段復(fù)合板堆焊后的焊縫表面還要進(jìn)行鐵素體測(cè)定，3～10FN 為合格。

3.2.5 熱處理及熱處理后無(wú)損檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)

設(shè)備在燃?xì)鉅t內(nèi)整體熱處理，保溫溫度(620±20)℃，保溫時(shí)間不小于2.5h。熱處理完畢對(duì)經(jīng)過(guò)返修的所有焊縫進(jìn)行100%TOFD 平行及非平行方向掃查，Ⅰ級(jí)合格。返修部位硬度檢驗(yàn)，要求≤200HB。按照?qǐng)D紙要求的試驗(yàn)壓力11.38MPa 進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

3.2.6 酸洗鈍化、刷漆

脫水塔耐壓試驗(yàn)合格后，不銹復(fù)合鋼經(jīng)熱處理部位表面進(jìn)行酸洗鈍化處理，外表面進(jìn)行噴砂處理，并按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行表面刷漆。

表1 焊接工藝

4 結(jié)語(yǔ)

按照方案維修后脫水塔，已投入使用5 年，定期檢驗(yàn)未再發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。在役壓力容器定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，通過(guò)缺陷定性分析，按照科學(xué)、合理的維修方案進(jìn)行維修，可以有效消除缺陷，保證設(shè)備長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。