MTO裝置347H反應(yīng)器焊縫開(kāi)裂原因分析與修復(fù)

司海濤

(中國(guó)石化中原石油化工有限責(zé)任公司，河南 濮陽(yáng) 457000)

347H反應(yīng)器所在裝置是全國(guó)首套S-MTO示范裝置，裝置設(shè)計(jì)能力60萬(wàn)t/a(以甲醇進(jìn)料計(jì))，操作時(shí)間為8 000 h/a，目標(biāo)產(chǎn)物為聚合級(jí)乙烯10.61萬(wàn)t/a，聚合級(jí)丙烯9.94萬(wàn)t/a。該反應(yīng)器為熱壁式設(shè)計(jì)，采用快速流化床，分為上、下兩部分，筒體、封頭材質(zhì)均為347H，內(nèi)徑8 200 mm/5 240 mm/4 550 mm，筒體厚度18 mm/24 mm/30 mm，封頭厚度24 mm，反應(yīng)器總高46 506 mm。襯里為龜甲網(wǎng)式高耐磨澆注料襯里，厚度為25 mm，外保溫材質(zhì)為硅酸鋁，厚度為200 mm。反應(yīng)器設(shè)計(jì)壓力0.35 MPa，工作壓力0.155～0.175 MPa，設(shè)計(jì)溫度520 ℃，正常運(yùn)行溫度470～490 ℃，工作介質(zhì)為產(chǎn)品氣、催化劑；容器類別為Ⅱ類。反應(yīng)器采用分片組焊方式現(xiàn)場(chǎng)制造安裝，設(shè)計(jì)年限為20年，從2011年10月投用起至2017年9月裂紋發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行近6年，期間工藝操作指標(biāo)良好，設(shè)備整體運(yùn)行正常。2017年9月發(fā)現(xiàn)封頭焊縫開(kāi)裂，開(kāi)裂位置見(jiàn)圖1。

圖1 封頭環(huán)焊縫開(kāi)裂位置

1 反應(yīng)器缺陷及處理措施

1.1 缺陷首次發(fā)現(xiàn)過(guò)程及應(yīng)對(duì)處理措施

2017年9月15日15:00，裝置外操人員在對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行巡檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器頂層異味很大，封頭西南側(cè)附近保溫皮顏色異常(焦黑)，用LDAR儀器運(yùn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示為17 953 mg/L，屬于嚴(yán)重泄漏。

2017年9月28日，將硅酸鋁保溫層拆除后，發(fā)現(xiàn)上封頭西南側(cè)環(huán)焊縫BF1出現(xiàn)長(zhǎng)約200 mm、寬1～2 mm的裂紋。利用專用工具沿泄漏裂紋外邊緣進(jìn)行沖壓，使其發(fā)生塑性變形，使得裂紋間隙密合之后采用捻縫技術(shù)消除漏點(diǎn)，泄漏的帶壓力介質(zhì)隨著捻縫的進(jìn)行而逐漸變小，直至消除漏點(diǎn)。消漏完成后進(jìn)行焊接補(bǔ)強(qiáng)，最后對(duì)補(bǔ)強(qiáng)焊縫(見(jiàn)圖2)進(jìn)行井字筋加固(見(jiàn)圖3)。

圖2 在線捻縫、補(bǔ)強(qiáng)情況

圖3 井字筋加固情況

1.2 2018年5～7月大修缺陷檢驗(yàn)及處理情況

1.2.1 檢驗(yàn)概況

本次大修期間共發(fā)現(xiàn)2類缺陷：A類是距2017年9月發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)器頂部封頭環(huán)焊縫裂紋(見(jiàn)圖4)600 mm處存在第二條未貫穿裂紋(長(zhǎng)280 mm，寬1～2 mm)；B類是發(fā)現(xiàn)的多處微裂紋，大部分集中在焊縫上，其中內(nèi)壁30處，外壁81處。

1) 外壁檢驗(yàn)。外壁焊縫共檢驗(yàn)385 m，約占總焊縫量77%，共發(fā)現(xiàn)缺陷81處。其中72處深度為1～3 mm，打磨消除，無(wú)需補(bǔ)焊；9處打磨深度為3～9 mm，打磨消除后需進(jìn)行補(bǔ)焊處理。

2) 內(nèi)壁檢驗(yàn)。內(nèi)壁焊縫共檢驗(yàn)52 m，約占總焊縫量約9%，共發(fā)現(xiàn)缺陷30處，均打磨消除。

1.2.2 缺陷處理措施

處理措施大體分為2類。一類是對(duì)頂封頭環(huán)焊縫內(nèi)、外裂紋部位的處理，另一類是對(duì)微裂紋的處理。具體處理方式如下：

1) 頂封頭環(huán)焊縫內(nèi)、外裂紋處理措施

a) 缺陷情況。對(duì)2018年5月大檢修期間發(fā)現(xiàn)的內(nèi)壁裂紋焊縫(未貫穿)進(jìn)行整體切割取樣分析，取樣尺寸為80 mm×405 mm，現(xiàn)場(chǎng)切痕為110 mm×480 mm；2017年9月發(fā)現(xiàn)的外壁焊縫裂紋(長(zhǎng)200 mm、寬1～2 mm)已用井字筋加固。

b) 處理措施。對(duì)取樣形成的110 mm×480 mm切痕采用等離子槍進(jìn)行擴(kuò)孔，然后用同材質(zhì)的鋼板進(jìn)行補(bǔ)孔焊接，裂紋焊縫取樣部位補(bǔ)板修復(fù)前后對(duì)比見(jiàn)圖5；對(duì)2017年9月發(fā)現(xiàn)的裂紋長(zhǎng)度為200 mm處的焊縫采用專用砂輪片將焊縫及缺陷部位清除，再次進(jìn)行滲透檢測(cè)確認(rèn)缺陷長(zhǎng)度后進(jìn)行焊接修復(fù)。

以上2處焊接完成24 h后，對(duì)修復(fù)和補(bǔ)板焊縫進(jìn)行100%射線檢測(cè)，焊縫質(zhì)量符合Ⅱ級(jí)要求，結(jié)果合格；對(duì)清根打磨后的焊縫表面進(jìn)行滲透檢測(cè)，焊縫質(zhì)量符合Ⅰ級(jí)要求，結(jié)果合格。

2) 微裂紋的處理措施

a) 深度<3 mm的裂紋直接打磨消除缺陷并保證圓滑過(guò)渡；

b) 深度超過(guò)3 mm的裂紋有10處，打磨至缺陷消除后再進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。

2 焊縫開(kāi)裂影響因素分析

2.1 母材及焊材

2.1.1 化學(xué)成分含量

該反應(yīng)器封頭所用母材347H的交貨狀態(tài)為固溶酸洗；焊條材質(zhì)為E347H-16不銹鋼。其主要化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1，通過(guò)與《ASTM A240/A240M 用于壓力容器和一般用途的鉻和鉻-鎳不銹鋼鋼板、薄鋼板和帶鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》及JB/T 4747—2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術(shù)條件》比較發(fā)現(xiàn)【1】，其化學(xué)成分含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 反應(yīng)器用母材和焊材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.1.2 晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的尺度。晶粒大小是影響金屬材料性能的重要因素之一。一般來(lái)說(shuō)，晶粒越細(xì)，金屬材料的強(qiáng)度、硬度越高，塑形、韌性越好。因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)，晶界越多、越曲折，晶粒與晶粒之間咬合的機(jī)會(huì)就越多，晶粒結(jié)合力就越強(qiáng)，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展。

圖6為晶粒尺寸對(duì)材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。由圖6可以看出，屈服強(qiáng)度(σs)及抗拉強(qiáng)度(σb)與晶粒尺寸的-1/2次方成正比。

圖6 晶粒大小對(duì)材料強(qiáng)度的影響

圖7為晶粒尺寸與延伸率的關(guān)系。由圖7可以看出，隨著晶粒尺寸的減小，延伸率增加。這表明隨著晶粒細(xì)化，在強(qiáng)度提高的同時(shí)，塑性也是提高的，因此，材料的韌性大幅度提高【2】。

圖7 晶粒大小對(duì)延伸率的影響

晶粒度大小對(duì)材料性能的影響很大，主要表現(xiàn)在塑性和蠕變等方面。特別是在高溫使用情況下，為了降低高溫蠕變，一般需要采用大晶粒。ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定H型奧氏體鋼應(yīng)符合ASTM No.7或更粗的平均晶粒度【1】。查看反應(yīng)器原始質(zhì)量文件得知，反應(yīng)器所用347H母材為國(guó)產(chǎn)鋼材，含有晶粒度>7的情況，由此可見(jiàn)，反應(yīng)器部分母材晶粒度達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。表2為反應(yīng)器所用鋼材晶粒度等級(jí)情況。

表2 反應(yīng)器347H鋼材晶粒度等級(jí)

2.2 焊接殘余應(yīng)力

2.2.1 焊接殘余應(yīng)力的概念

不銹鋼在焊接和冷卻過(guò)程中，其局部會(huì)形成一個(gè)很不均勻的溫度場(chǎng)，由于膨脹和收縮的程度及速度不同，溫度場(chǎng)內(nèi)各部分鋼材的變形相互制約，產(chǎn)生了不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，導(dǎo)致焊件在冷卻后，其上仍然存在著殘余應(yīng)力，即焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力包括沿焊縫長(zhǎng)度方向的縱向焊接應(yīng)力、垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的橫向焊接應(yīng)力和沿厚度方向的焊接應(yīng)力。

2.2.2 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因及影響因素

之所以會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，主要是由于焊件在焊接過(guò)程中所受到的加熱是不均勻的。按照焊接殘余應(yīng)力的發(fā)生來(lái)源，可將其分為直接應(yīng)力、間接應(yīng)力和組織應(yīng)力3種【3】。

1) 直接的焊接應(yīng)力是焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的最主要原因，它是由于受到不均勻的加熱和冷卻之后而產(chǎn)生的，根據(jù)加熱和冷卻時(shí)的溫度梯度而發(fā)生變化。

2) 間接的焊接應(yīng)力則是由于焊件焊前的加工狀況造成的應(yīng)力，比如焊件在受到軋制或拉拔時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。而焊件在被焊接時(shí)易產(chǎn)生直接焊接應(yīng)力，間接的殘余應(yīng)力如果在某種場(chǎng)合下疊加到直接焊接應(yīng)力上，則會(huì)產(chǎn)生更大的焊接殘余應(yīng)力。

3) 組織應(yīng)力是由相變?cè)斐傻谋热?單位質(zhì)量的物質(zhì)所占有的容積)變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，它的產(chǎn)生是由于焊件的組織發(fā)生了變化。

總之，焊接會(huì)導(dǎo)致焊接接頭處產(chǎn)生殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的剛度、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂均會(huì)產(chǎn)生影響，且其沒(méi)有明顯外觀表征，在未加載荷或外部缺陷出現(xiàn)前，焊接接頭在宏觀方面仍能保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，但它的存在會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)性能造成不良影響。按照設(shè)計(jì)要求，該反應(yīng)器焊接接頭未做焊后熱處理，因此焊縫殘余應(yīng)力無(wú)法消除，這是造成服役期間焊縫開(kāi)裂的原因之一。

2.3 殘余擴(kuò)散氫

焊縫金屬中的氫主要來(lái)源于焊接原材料中的水和其他含氫物質(zhì)。水在1 500 ℃以上即可分解出氫，焊接時(shí)電弧可產(chǎn)生高達(dá)5 000～6 000 ℃的高溫，電弧氣氛中又存在各種帶電離子，因此原材料或環(huán)境中的水在高溫及電弧作用下很容易分解生成氫原子或氫離子等進(jìn)入焊縫金屬。

氫在鋼中的溶解度與壓力、溫度的關(guān)系服從Sievert方程【4】。根據(jù)方程，溫度越高，氫的溶解度越大，隨著溫度降低，氫在鋼材中的可溶性慢慢降低，在焊縫金屬中由內(nèi)而外聚集擴(kuò)散。

焊縫中的氫不斷擴(kuò)散聚集，在應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致焊縫敏感組織(熔合區(qū)、熱影響區(qū))產(chǎn)生氫致裂紋，影響焊接接頭的力學(xué)性能【5】。因?yàn)闅涞臄U(kuò)散聚集可能需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，這也就會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)散氫造成的裂紋延遲出現(xiàn)，從而對(duì)正在服役的焊接結(jié)構(gòu)及焊接接頭性能產(chǎn)生影響。

擴(kuò)散氫局部集結(jié)與應(yīng)力集中及組織不均勻性有密切關(guān)系。有研究表明，焊接接頭的熔合區(qū)和熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)與細(xì)晶區(qū)交界處存在擴(kuò)散氫聚集，因此熔合區(qū)和熱影響區(qū)是擴(kuò)散氫最易聚集的地方，導(dǎo)致此處出現(xiàn)局部高壓區(qū)和高應(yīng)變區(qū)，容易引起焊縫產(chǎn)生延遲開(kāi)裂現(xiàn)象。

2.4 焊縫鐵素體含量

對(duì)于奧氏體不銹鋼，理論上其常溫組織應(yīng)該全部為奧氏體組織，但在實(shí)際生產(chǎn)冷卻過(guò)程中總會(huì)產(chǎn)生一定量的殘余鐵素體，再加上焊接帶來(lái)的影響，焊縫中鐵素體相的含量會(huì)進(jìn)一步增加。

有工程經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)奧氏體不銹鋼應(yīng)用于450 ℃及以上時(shí)，應(yīng)控制其鐵素體含量在6%～8%之間【6】。如果奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量偏大，會(huì)產(chǎn)生脆性相，從而導(dǎo)致材料的性能變化。鐵素體相在400～500 ℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重脆化，使鋼材硬度顯著升高，可顯著降低鋼的塑性和韌性。該反應(yīng)器的正常工作溫度為470～490 ℃，在鐵素體相發(fā)生嚴(yán)重脆化的溫度范圍內(nèi)。

表3為反應(yīng)器焊接試板焊縫鐵素體數(shù)檢測(cè)情況。從表3中不難發(fā)現(xiàn)，樣品中存在鐵素體含量偏高的情況，這會(huì)對(duì)反應(yīng)器后續(xù)使用帶來(lái)一定影響。

表3 反應(yīng)器焊接試板焊縫鐵素體數(shù)檢測(cè)

3 結(jié)論與建議

1) 母材晶粒度偏大、焊接殘余應(yīng)力過(guò)大、殘余擴(kuò)散氫濃度偏高、焊縫鐵素體含量偏高等都有導(dǎo)致焊接接頭應(yīng)力增大的可能，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)松弛應(yīng)變超過(guò)材料的蠕變塑性時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器封頭焊縫在高溫服役期間產(chǎn)生再熱裂紋。

2) 該反應(yīng)器操作溫度470 ℃，已運(yùn)行近6年多，材質(zhì)為347H，封頭壁厚為24 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，開(kāi)裂焊縫存在強(qiáng)制組對(duì)現(xiàn)象，而且由于反應(yīng)器是現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組對(duì)安裝，所以在組對(duì)焊接之后無(wú)法進(jìn)行熱處理，從而導(dǎo)致該部位存在較高的殘余應(yīng)力水平，助長(zhǎng)了焊縫開(kāi)裂。

3) 基于反應(yīng)器現(xiàn)狀，建議盡快更換新的反應(yīng)器。參考國(guó)外UOP公司經(jīng)驗(yàn)，新反應(yīng)器母材可以考慮使用304H，但該材料抗甲酸晶間腐蝕能力比347H稍差，且中天合創(chuàng)、久泰、斯?fàn)柊畹葞滋籽b置采用304H的制造的反應(yīng)器應(yīng)用時(shí)間不足3年，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4) 對(duì)修復(fù)后的反應(yīng)器應(yīng)采取嚴(yán)密的運(yùn)行監(jiān)控措施，制定事故應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行定期演練，嚴(yán)防突發(fā)事故；平穩(wěn)操作，盡量避免操作過(guò)程中緊急停車(chē)或者反復(fù)開(kāi)停車(chē)，以減少反應(yīng)器壁冷熱交替。

5) 對(duì)于高溫條件下服役的高碳型奧氏體不銹鋼347H，為降低或者避免焊縫在高溫下產(chǎn)生應(yīng)力松弛裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)從焊接材料選擇、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力設(shè)計(jì)、焊接工藝過(guò)程、焊縫質(zhì)量評(píng)定、制造及安裝過(guò)程質(zhì)量驗(yàn)收等方面加以研究，主要關(guān)注點(diǎn)如下：

a) 焊接材料優(yōu)先選擇蠕變塑性及抗熱疲勞性能較好的焊接材料，控制熔敷金屬中碳含量及鐵素體含量。

b) 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別關(guān)注母材中結(jié)構(gòu)、厚度或材料發(fā)生變化的部位，合理設(shè)置母材導(dǎo)向，合理選擇焊接順序，盡量避免應(yīng)力集中。

c) 制造及安裝過(guò)程中，避免強(qiáng)行組對(duì)。制造或者施工安裝過(guò)程中，應(yīng)特別關(guān)注容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，盡量減小焊縫處的焊接殘余應(yīng)力。

d) 焊前預(yù)熱和焊后緩冷。應(yīng)用焊接之前預(yù)熱構(gòu)件的方法減少焊接過(guò)程中焊縫區(qū)和其他區(qū)域的溫度差異；焊后減慢焊縫區(qū)域的冷卻速率，使焊縫的冷卻速率和其他區(qū)域同步，以達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形的目的。

e) 嚴(yán)格按照焊接質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和質(zhì)量驗(yàn)收，不允許存在裂紋、未熔合、未焊透情況。