加氫反應(yīng)器橫向裂紋的現(xiàn)場修復(fù)

韓 冰,朱 寧

(中石化 南京化工機(jī)械有限公司,南京 210048)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，在化工、煉油、煤化工深加工等行業(yè)，加氫裂化、加氫精制等裝置得到廣泛應(yīng)用，如石油煉制工業(yè)中的加氫精制，可以脫除油品中存在的含氧、硫、氮等雜質(zhì)，并使烯烴全部飽和、芳烴部分飽和，以提高油品的質(zhì)量，在煤化工中用于煤加氫液化制取液體燃料等[1-3]。加氫反應(yīng)器是這些裝置中的核心設(shè)備，長期處于高溫、高壓和臨氫介質(zhì)中運(yùn)行，對設(shè)備的用材、制造要求都比較苛刻，其中焊接質(zhì)量控制是保證加氫反應(yīng)器安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

1 設(shè)備概況

某公司的液相柴油加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.25Cr-1Mo材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能要求分別見表2,3。

表1 液相柴油加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 設(shè)備缺陷概況

該設(shè)備在2016年8月的定期檢驗(yàn)時，經(jīng)磁粉檢測，在厚度為120 mm的上封頭與厚度為160 mm、經(jīng)削薄的筒體相連的環(huán)焊縫上發(fā)現(xiàn)一橫向裂紋(見圖2)。最初因疑似為淺表面裂紋，即對裂紋進(jìn)行打磨，隨著開槽打磨的深入，發(fā)現(xiàn)裂紋并未消除(見圖3)。再采用超聲波檢測確認(rèn)缺陷深度為0～90 mm，長度80 mm。檢測表明：裂紋雖深至90 mm，但尚未穿過鋼焊縫到達(dá)耐腐蝕的堆焊層。缺陷距離筒節(jié)縱縫1 050 mm，UT檢測缺陷位置見圖4。隨后對整道環(huán)縫進(jìn)行UT檢測，尚未發(fā)現(xiàn)其他缺陷。對焊縫裂紋的金相檢查發(fā)現(xiàn)以穿晶擴(kuò)展為主；對缺陷附近各區(qū)的硬度檢測情況如下：焊縫為197HBW～214HBW；熱影響區(qū)為182HBW～193HBW；母材為171HBW～176HBW，說明各區(qū)的硬度正常。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

表2 2.25Cr-1Mo化學(xué)成分 %

表3 2.25Cr-1Mo力學(xué)性能

圖2 磁粉檢測情況

圖3 開槽后目測檢查

圖4 超聲波檢測缺陷位置示意

3 產(chǎn)生裂紋原因分析

2.25Cr-1Mo鋼采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐加真空脫氣精煉工藝冶煉，為本質(zhì)細(xì)晶粒鎮(zhèn)靜鋼，供貨狀態(tài)為正火加回火(N+T)，其金相組織為貝氏體。通過添加Cr,Mo,Mn元素，提高鋼材的熱強(qiáng)性、高溫蠕變強(qiáng)度、持久強(qiáng)度和抗氫性。但鋼中Cr含量較高，且含P,As,Sb,Sn等殘余元素，使其具有一定的回火脆性。同時，較高的Cr,Mo含量加劇鋼的淬硬性，在焊接熱循環(huán)過程中焊縫和熱影響區(qū)易形成馬氏體組織，使之對冷裂傾向增大[4-5]。

在焊接過程中，由于鋼種、焊接結(jié)構(gòu)類型以及拘束狀態(tài)的差異，會出現(xiàn)不同類型的裂紋。裂紋有時在焊后立即出現(xiàn)，有時在焊接完成放置過程的幾小時或幾天出現(xiàn)，也有的在運(yùn)行過程中幾年甚至更長時間才出現(xiàn)。這類屬于延遲裂紋[6]。

由于封頭與筒體組對時存在錯邊，上封頭與筒體連接的焊縫，焊接過程中產(chǎn)生拘束應(yīng)力，焊縫和熱影響區(qū)溶入了氫，部分氫在熔池結(jié)晶過程中逸出，部分殘留在焊縫中的氫能夠擴(kuò)散，稱為擴(kuò)散氫，加之2.25Cr-1Mo鋼焊接淬硬傾向大，易產(chǎn)生淬硬組織，在不均勻加熱和冷卻條件下易形成晶格缺陷，主要是空位和位錯[7]，這種細(xì)小缺陷不能被RT和UT檢出。設(shè)備在高溫、高壓、臨氫環(huán)境下運(yùn)行，氫的擴(kuò)散、聚集和誘發(fā)需要時間，在復(fù)雜應(yīng)力作用下使裂紋逐漸擴(kuò)展、直至開裂[8]。

4 返修工序及過程控制

根據(jù)無損檢測確定的缺陷位置，并結(jié)合鋼種特點(diǎn)和現(xiàn)場條件，編制返修方案，主要工序?yàn)椋汉盖懊摎涮幚怼@止裂孔→碳弧氣刨消除缺陷→打磨去除熔渣等吸附物→修磨成合適的焊接坡口→滲透檢測(證實(shí)缺陷消除)→預(yù)熱→焊接→返修焊縫消氫→MT,UT,TOFD檢測→局部消應(yīng)力熱處理→MT,UT,TOFD檢測和焊接接頭硬度測定。

4.1 脫氫處理

該設(shè)備已在高溫、高壓、臨氫介質(zhì)中運(yùn)行3年多，溶解了大量氫的殼體鋼材具有一定脆性。若對其打磨或焊接，會在其周圍產(chǎn)生更多裂紋[9-10]。為此，返修前必須脫氫。但是， 2.25Cr-1Mo鋼具有回火脆性，若在其回火脆性區(qū)域內(nèi)加熱，雖然脫氫較快，但加劇其回火脆性，所以選擇脫氫的加熱溫度和時間至關(guān)重要。為此，采取在回火脆性溫度以下加熱，以延長加熱時間的措施，用加熱帶蓋滿整個待修焊接接頭的筒體外側(cè)，并用保溫棉再次覆蓋，從而取得良好效果。

4.2 加工止裂孔

為防止在碳弧氣刨時裂紋擴(kuò)展，在裂紋兩端各鉆一個止裂孔，深度為90 mm(見圖5)。

圖5 止裂孔外觀

4.3 清除裂紋

對焊縫內(nèi)的橫向裂紋應(yīng)沿環(huán)縫的焊接方向消除，以使補(bǔ)焊焊道處于原焊縫內(nèi)，避免形成十字接頭。待脫氫溫度降至200 ℃左右，沿著焊縫方向從刨槽兩側(cè)向中間刨削(厚度控制在3 mm左右)，氣刨時應(yīng)觀察裂紋是否清除徹底，且其刨槽兩端需平緩過渡，以利于多層焊時的端部質(zhì)量，碳弧氣刨之后采用砂輪去除滲碳層，直至見到金屬光澤。打磨時將刨槽底部和周邊與原始焊縫及母材的棱角圓滑過渡，以減緩應(yīng)力集中。缺陷除凈后，測量溝槽尺寸：長度138 mm，深度98 mm，寬度105 mm(見圖6)。

圖6 碳弧氣刨刨槽外觀

4.4 焊前檢驗(yàn)、檢測

目視檢驗(yàn)合格后，按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》，對缺陷清除部位進(jìn)行100%PT+100%MT檢測，均要求Ⅰ級合格。

4.5 修復(fù)裂紋

(1)焊前在設(shè)備頂部和四周搭設(shè)防護(hù)棚，確保防風(fēng)防雨。施焊前，將返修部位及周邊20 mm范圍內(nèi)的鐵銹及其他污垢清除干凈。

(2)焊前采用電加熱板對返修部位及周邊200 mm處預(yù)熱≥200 ℃，一是有利于焊接區(qū)的氫向外擴(kuò)散，防止冷裂紋的產(chǎn)生；二是降低冷卻速度，減少淬硬傾向，降低焊接殘余應(yīng)力。預(yù)熱時采用測溫槍測溫，每間隔1 h測溫1次(見圖7)。

圖7 焊前預(yù)熱現(xiàn)場

(3)采用日本神鋼E9016-B3焊材，直流反接施焊，且對2.25Cr-1Mo鋼材焊縫的修復(fù)需連續(xù)進(jìn)行，不得中斷。其工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接規(guī)范參數(shù)

(4)首先采用?3.2 mm焊條對修復(fù)部位打底焊，然后采用?4.0 mm焊條填充焊滿，焊接時先從坡口兩側(cè)“長肉”，再向中間填充，以使焊接殘余應(yīng)力處于較低狀態(tài)。施焊過程中，既要保持焊道間有足夠的溫度場，又不能采取過大的焊接線能量，以防止道間溫度過高，導(dǎo)致焊縫韌性降低。為此，道間溫度必須≤300 ℃。

(5)立式設(shè)備現(xiàn)場環(huán)縫始終處于橫焊位置，熔化金屬因自重容易下淌，致使焊縫有上側(cè)咬邊，下側(cè)下墜、焊瘤及未焊透等情況，因此必須采用短弧焊接。且前道焊縫熔渣除凈后，才能施焊后續(xù)焊道，每道焊縫壓前道焊縫的1/2，從左至右連續(xù)焊接。焊接時要重視觀察熔池，填充層的焊縫應(yīng)低于刨槽邊緣1～2 mm。蓋面焊時適當(dāng)加快焊接速度或減小焊接電流，調(diào)整焊條角度，避免熔化金屬下淌和產(chǎn)生咬邊。

(6)焊后立即進(jìn)行局部消氫處理，加熱到300 ℃，保溫4 h(見圖8)。

圖8 焊后消氫現(xiàn)場

4.6 焊后檢驗(yàn)、檢測

返修焊縫消氫后，打磨修復(fù)部位，使之與母材平滑過渡。經(jīng)外觀檢查合格24 h后，按NB/T 47013—2015分別對返修焊縫進(jìn)行100%MT檢測、100%UT檢測(平行及非平行方向掃查)和100%TOFD檢測，均要求Ⅰ級合格。

4.7 消應(yīng)力熱處理

按照GB/T 30583—2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》的要求,對整道返修焊縫及其邊界50 mm進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理(690 ℃±14 ℃/8 h)。局部熱處理過程中的溫度梯度，包括升溫、保溫以及降溫階段，距離加熱環(huán)帶邊緣3倍返修焊縫厚度的筒體部位，其溫度不低于加熱環(huán)帶處高峰溫度的一半[11]。加熱帶寬度為焊縫寬度加環(huán)焊縫兩側(cè)各2倍筒體厚度，里外均采用保溫棉覆蓋。升溫至400 ℃以后或降溫至400 ℃時，返修焊縫的升溫或降溫速度均為55 ℃/h；當(dāng)返修焊縫區(qū)溫度低于400 ℃時，即可空冷。

4.8 局部消應(yīng)力熱處理后的檢測

(1)熱處理后，再次對返修焊縫按NB/T 47013—2015分別進(jìn)行100%MT檢測、100%UT檢測(平行及非平行方向掃查)和100%TOFD檢測，均達(dá)到Ⅰ級合格。

(2)熱處理后，對返修部位的焊縫、熱影響區(qū)、母材測硬度，每個區(qū)域測3點(diǎn)，焊縫為202HBW～209HBW,熱影響區(qū)為180HBW～186HBW，母材為161HBW～167HBW，其硬度值均小于225HBW。

5 結(jié)語

(1)2.25Cr-1Mo鋼材是加氫設(shè)備制造應(yīng)用較廣的鋼種，也是焊接難度較大的鋼種。該加氫設(shè)備在高溫、高壓、臨氫介質(zhì)中運(yùn)行三年多的定期檢驗(yàn)時，發(fā)現(xiàn)環(huán)縫上的橫向裂紋，消除裂紋后，形成長度138 mm，深度98 mm，寬度105 mm的深厚溝槽待修復(fù)。此修復(fù)相當(dāng)于以設(shè)備為拘束，在現(xiàn)場進(jìn)行深厚焊縫的抗裂試驗(yàn)，其難度在國內(nèi)實(shí)屬少見。

(2)此次修復(fù)關(guān)鍵在于：方案的制訂體現(xiàn)理念的科學(xué)性、程序的嚴(yán)密性、操作的責(zé)任心。其理念為按鋼種和焊接熱作用的特點(diǎn)，制定脫氫、層間溫度及焊接規(guī)范等參數(shù)；在刨除裂紋或修復(fù)過程中的每一環(huán)節(jié)均設(shè)法減少焊接應(yīng)力，而不只等待焊后熱處理來消除殘余應(yīng)力；同時重視焊前、焊后及熱處理后的無損檢測。

(3)該設(shè)備深厚焊縫在現(xiàn)場一次修復(fù)成功，且經(jīng)4年運(yùn)行考核，修復(fù)處完好無損，這給相關(guān)高難度設(shè)備的維修提供了借鑒。