塔里木油田的4 臺(tái)高壓氣液分離器的制造質(zhì)量分析

馬小崗

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 張家港 215600）

塔里木油田是中國(guó)的重要能源基地，某化機(jī)廠承接了油田煉化裝置的4 臺(tái)高壓氣液分離器的設(shè)計(jì)與制造任務(wù)。由于該設(shè)備使用工況嚴(yán)苛，設(shè)計(jì)選用Q345R+2205 雙相不銹鋼鋼爆炸復(fù)合板，主要考慮2205 雙相不銹鋼（00Cr22Ni5Mo3N）是典型的含氮、超低碳、鐵素體+奧氏體雙相不銹鋼，其組織中鐵素體相和奧氏體相各約占50%，從而將奧氏體不銹鋼所具有的優(yōu)良韌性和焊接性，與鐵素體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，使雙相不銹鋼兼有鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)。Q345R+2205 爆炸復(fù)合板因結(jié)合了基復(fù)層的優(yōu)良性能而被廣泛應(yīng)用，但在壓力容器的制造過(guò)程中，爆炸復(fù)合板熱處理時(shí)既要兼顧基體的熱處理又要兼顧覆層的熱處理，對(duì)復(fù)層2205 的性能影響很大，因此設(shè)備的制造難度很大。

該高壓氣液分離器的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力11 MPa、直徑1 600 mm、筒體厚度60 mm+4 mm，封頭厚度68 mm+4 mm。主材選用Q345R+2205 雙相不銹鋼爆炸復(fù)合板，接管法蘭有2205 鍛件和16Mn 鍛件堆焊2209 的兩種，基層焊接完成進(jìn)行射線檢測(cè)，復(fù)層焊接完成后進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，要求焊后熱處理。執(zhí)行TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB 150—2011《壓力容器》[2]，焊接執(zhí)行NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》[3]，熱處理執(zhí)行GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》[4]。

1 氣液分離器制造過(guò)程中主要部件的質(zhì)量問(wèn)題

1.1 接管法蘭

在圖紙和技術(shù)條件中未要求2205 鍛件復(fù)驗(yàn)，為保證制造質(zhì)量，制造廠在法蘭鍛件的進(jìn)廠檢驗(yàn)中增加金相檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)2205 鍛件未經(jīng)1 050 ℃固溶處理，成形后直接冷卻。

對(duì)堆焊2209 的16Mn 鍛件，在堆焊過(guò)渡層后進(jìn)行520～540 ℃×1 h 的熱處理，然后堆焊面層。接管法蘭與筒體相焊后，隨筒體又進(jìn)行530～540 ℃×2.2 h 的熱處理。

現(xiàn)有的焊接工藝評(píng)定在面層堆焊好后未進(jìn)行熱處理，不能覆蓋產(chǎn)品。

1.2 筒體

4 臺(tái)設(shè)備的筒體縱、環(huán)焊縫焊接完成后，按照GB 150.4—2011《焊后熱處理》中8.2.2.1 條款的規(guī)定，壁厚達(dá)到消除焊接殘余應(yīng)力熱處理的要求，但這種熱處理會(huì)影響2205 鋼的耐蝕性。

制造廠為了加快復(fù)層的冷卻速度，產(chǎn)品未進(jìn)行整體熱處理，5 個(gè)筒節(jié)焊成的筒體（暫不組裝封頭）探傷合格后就入爐進(jìn)行熱處理。熱處理規(guī)范為530～550 ℃，保溫2.2 h 后立即出爐，用2 臺(tái)電風(fēng)扇對(duì)準(zhǔn)筒體內(nèi)側(cè)吹強(qiáng)風(fēng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)筒體外壁溫測(cè)量，從出爐到外壁溫冷至400 ℃，約17 min，計(jì)算其冷卻速度為423 ℃/h。筒體熱處理后，封頭與筒體組對(duì)、焊接，然后進(jìn)行局部熱處理?？疾橥搀w的熱處理，存在以下問(wèn)題：①氣液分離器的設(shè)計(jì)壓力為11 MPa，按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，高壓容器必須進(jìn)行整理熱處理，而該設(shè)備封頭與筒體的2 條環(huán)縫是局部熱處理。②Q345R 的熱處理問(wèn)題一般在600 ℃左右，現(xiàn)在采用530～540 ℃的熱處理溫度，是否合適？③為了考慮2205 的性能，從530～540 ℃直接出爐，并采用強(qiáng)風(fēng)冷卻方式使其快速冷卻423 ℃/h。這兩點(diǎn)雖經(jīng)設(shè)計(jì)院同意，但均不符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。如此快的冷卻速度，會(huì)使筒體產(chǎn)生新的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致筒體的薄弱部位（如基層和復(fù)層的交界面）產(chǎn)生缺陷或使原缺陷擴(kuò)展。

1.3 封頭

4 臺(tái)設(shè)備的8 個(gè)封頭采用熱壓成形后空冷。按照設(shè)計(jì)文件要求，基材Q345R 原為正火狀態(tài)，熱壓超過(guò)正火溫度，必須重新正火。設(shè)計(jì)院為了顧及2205 的性能，要求制造方先后經(jīng)過(guò)兩三次固溶熱處理（加熱到1 030 ℃，保溫30 min）。這對(duì)爆炸復(fù)合時(shí)韌性已受損的基材，是否會(huì)加重?fù)p傷？

第一次固溶時(shí)，由于熱電偶未設(shè)置在封頭上，加熱溫度不夠。固溶后在封頭多余的直邊段取樣試驗(yàn)，出現(xiàn)以下情況：①為將有一定弧度的直邊段壓平，不料2205 復(fù)層全部斷裂，此時(shí)，測(cè)定基材Q345R 的沖擊功，出現(xiàn)低值；②沿著基材厚度方向進(jìn)行硬度測(cè)試，緊靠交界面Q345R 側(cè)的硬度有一點(diǎn)高達(dá)256HB，其余正常；③金相觀察發(fā)現(xiàn)2205 復(fù)層上有較多的析出相，靠近交界面的基層局部出現(xiàn)粒狀貝氏體硬化組織（正常組織應(yīng)為鐵素體和珠光體）；④復(fù)層2205 的腐蝕試驗(yàn)不合格。

2 解決措施

2.1 接管法蘭

對(duì)2205 鍛件的接管法蘭全部加熱到1 050 ℃左右，重新固溶處理，檢測(cè)合格后與筒體相焊；對(duì)Q345R 面層堆焊2209 的接管，重新需補(bǔ)做相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定。

2.2 筒體

為使了筒體復(fù)層快冷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行了分段熱處理，筒體與封頭的環(huán)縫只能進(jìn)行局部熱處理，其規(guī)范與筒體相同。關(guān)于熱處理溫度和時(shí)間，近年來(lái)，隨著材質(zhì)的改善，國(guó)外對(duì)C-Mn 鋼的熱處理溫度的下限在降低，例如AD 規(guī)范、ISO11-2694 和日本HPIS-E108，熱處理溫度下限為550 ℃；法國(guó) COPAD 為 530～580 ℃。中國(guó) HG/T 20584—2011[5]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Q345R 復(fù)合板的熱處理溫度為550 ℃，且保溫期間，溫度偏差為±25 ℃。因此Q345R 復(fù)合板的熱處理溫度要求比基層低，有利于防止和減少2205 析出脆性相。

查NBT 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》表1 可知，Q345R 屬于Fe-Ⅰ材料，根據(jù)GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》表1 對(duì)焊后熱處理規(guī)范參數(shù)的要求，Q345R 的熱處理最低保溫溫度為600 ℃，降低熱處理溫度必須延長(zhǎng)相應(yīng)的熱處理保溫時(shí)間，根據(jù)GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》表2，降低30 ℃需要延長(zhǎng)保溫時(shí)間2 h，與HG/T 20584—2011《鋼制化工容器制造技術(shù)規(guī)定》的要求一致。但實(shí)際的保溫時(shí)間延長(zhǎng)不足，會(huì)影響復(fù)合板殘余應(yīng)力的消除效果，至于影響有多嚴(yán)重有待進(jìn)一步試驗(yàn)和實(shí)踐證明。

筒體從500 ℃以上的高溫出爐，并采用強(qiáng)風(fēng)冷卻，所產(chǎn)生溫差應(yīng)力無(wú)法測(cè)定，它對(duì)鋼材基層/復(fù)層交界面（金相組織已很復(fù)雜）原有微裂紋或其他缺陷是否有影響？

為了解決上述疑慮，決定附加以下檢測(cè)項(xiàng)目：①在筒體外側(cè)進(jìn)行一定比例的UT 檢測(cè)，檢查基層/復(fù)層交界面的質(zhì)量情況；②從外側(cè)對(duì)所有焊縫進(jìn)行100%的UT 檢測(cè)，檢查焊縫和基層/復(fù)層交界面的質(zhì)量；③對(duì)筒體內(nèi)表面進(jìn)行一定比例的PT 檢測(cè)，檢查2205 的質(zhì)量。

2.3 封頭

封頭上重新設(shè)置熱電偶后，對(duì)8 個(gè)封頭經(jīng)第二次固溶處理。根據(jù)GB150.4—2011 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)要求材料的使用熱處理狀態(tài)與供貨熱處理狀態(tài)一致時(shí)，在制造過(guò)程中如果改變了供貨的熱處理狀態(tài)，需要重新進(jìn)行熱處理，應(yīng)帶母材試板。其中有4 個(gè)封頭本體有接管開(kāi)孔，在開(kāi)孔處取樣。被檢的4個(gè)封頭中，有3 個(gè)封頭各項(xiàng)性能試驗(yàn)合格；有1 個(gè)封頭的延伸率（為14%）和面彎（沿寬度復(fù)層開(kāi)裂）不合格，封頭經(jīng)過(guò)第三次固溶處理后，各項(xiàng)性能試驗(yàn)合格。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件的要求，只要封頭母材試板的受熱情況能夠模擬整個(gè)封頭的制作工藝過(guò)程，即可用該試板進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)。

對(duì)4 個(gè)無(wú)法從本體上取樣的封頭，以同材質(zhì)、同厚度、同受熱狀態(tài)的試板性能代替，經(jīng)試驗(yàn)合格。按照ASME A923C 法進(jìn)行點(diǎn)蝕試驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕痕跡，基本合格。

3 結(jié)束語(yǔ)

Q345R+2205 雙相不銹鋼爆炸復(fù)合板制造壓力容器在國(guó)內(nèi)外沒(méi)有相關(guān)規(guī)范，且制造經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)于大型高參數(shù)的壓容器制造有相當(dāng)?shù)碾y度和一定的風(fēng)險(xiǎn)，主要是基層和復(fù)層對(duì)熱處理的要求差異極大，難以兼顧。雖然通過(guò)多種試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的制造質(zhì)量基本符合技術(shù)規(guī)范的要求，但真正使用效果如何有待進(jìn)一步實(shí)踐來(lái)證明。