論加氫反應器筒體縱縫缺陷的修復及工藝優(yōu)化

董 洋*

（錦西化工機械集團有限公司）

0 引言

加氫反應器是煉油、化工行業(yè)加氫裂化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其通常在高溫、高壓、臨氫條件下工作，使用條件較為惡劣。近年來，隨著設(shè)備不斷大型化發(fā)展，反應器的內(nèi)部構(gòu)件形式也隨著主體設(shè)備增大而不斷改進。反應器的內(nèi)件支撐一般是指支撐各種分配盤的支持圈和支撐催化劑格柵的凸臺，無論支持圈還是凸臺都是容器本體的突變結(jié)構(gòu)，又承受了質(zhì)量載荷，所以支撐圈是應力集中的高應力區(qū)，比較容易產(chǎn)生應力腐蝕、裂紋等各種形式的損傷，所以支撐結(jié)構(gòu)的形式及制造方法至關(guān)重要?，F(xiàn)以堆焊凸臺結(jié)構(gòu)為例，介紹該種結(jié)構(gòu)在制造過程中出現(xiàn)的問題，及處理問題所用的方法，并優(yōu)化了工藝方案。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點

某石化企業(yè)的某加氫反應器尺寸為 1 600 mm×（54+6.5）mm×23 063 mm，筒體和封頭材料為12Cr2Mo1R堆焊及（E309L+E347）雙層堆焊。其中，兩個支撐催化劑格柵的凸臺為堆焊結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 堆焊結(jié)構(gòu)凸臺（單位：mm）

2 缺陷狀態(tài)

在設(shè)備制造過程中，其中一節(jié)筒體在凸臺堆焊及熱處理后，筒體內(nèi)壁焊縫被檢測出具有裂紋。該設(shè)備的生產(chǎn)過程為：筒體冷滾→焊接→消氫→校圓→中間消除應力熱處理→無損檢測。其中檢測結(jié)果均合格，然后進行凸臺堆焊工作，堆焊后對堆焊處進行100%超聲（UT）檢測，檢測發(fā)現(xiàn)凸臺堆焊與筒體結(jié)合面處存在裂紋的可能，從而對整條縱焊縫進行100%UT+100%滲透（PT）檢測，檢測發(fā)現(xiàn)筒體內(nèi)表面的焊縫存在裂紋，裂紋深度為8 mm左右，并有向該筒節(jié)兩端擴展的趨勢。

3 原因分析

相關(guān)人員對設(shè)備的制造過程及缺陷產(chǎn)生的原因進行了詳細的分析，經(jīng)研討確定其主要誘因為：凸臺堆焊時的焊接應力較大，筒體的壁厚較小，堆焊環(huán)受到較大的堆焊應力作用，導致筒體內(nèi)徑收縮；且筒體應力消除時焊縫中的焊接殘余應力并沒有完全消除，應力疊加導致焊接處應力較大，使凸臺與筒體堆焊結(jié)合處產(chǎn)生裂紋，并沿著焊縫向筒體兩端擴展。

4 返修方案

4.1 裂紋清除

裂紋清除工作從結(jié)構(gòu)上可分為兩個部分，一部分是凸臺沒有覆蓋的部分，另一部分為凸臺覆蓋的部分。前者相對比較好處理，可采用砂輪修磨去除裂紋；后者因凸臺覆蓋結(jié)構(gòu)較復雜，給返修工作帶來較大難度。如果將凸臺從筒體內(nèi)部斷開再進行修復，斷開的凸臺可能會釋放較大的應力，堆焊則會導致筒體內(nèi)徑變小，從而使筒體帶有“趨圓”應力，可能導致裂紋進一步擴展，且凸臺斷開與修復工作的加工難度較大。因此選擇從筒體外表面加工的方法對凸臺覆蓋處的裂紋進行返修，方案如下：

（1）首先對焊縫進行100%UT+100%PT檢測，確定裂紋位置、長度及深度，并做好標記。經(jīng)檢測，裂紋深度為8 mm左右。

（2）為了防止裂紋繼續(xù)擴展，在裂紋兩端打止裂孔，然后采用砂輪修磨的方式清除裂紋，如圖2所示。對修磨處進行100%PT檢測，確認裂紋是否清除完全，直到確認裂紋被清除干凈為止, 打磨部位應與周圍金屬平緩過渡，這有利于后續(xù)的焊接操作。

圖2 砂輪修磨清除裂紋

（3）對于被凸臺覆蓋處的縱向接頭處缺陷，可將缺陷位置標記到筒體外壁處，然后從筒體外側(cè)用鏜床加工與砂輪修磨相結(jié)合的方式清除裂紋，加工尺寸長為180 mm，寬為35 mm，修磨后進行100% PT檢測,直到裂紋清除干凈為止, 打磨部位應與周圍金屬平緩過渡，如圖3所示。

圖3 鏜床加工與砂輪修磨清除裂紋

4.2 缺陷修復

（1）焊接時應在筒體內(nèi)表面加襯墊，詳見圖4。襯墊材質(zhì)為12Cr2Mo1R，厚度為8 mm。先從外側(cè)焊接焊第1～12層，厚度應達到24～26 mm，之后用砂輪修磨將內(nèi)側(cè)襯墊全部清除，再焊接內(nèi)側(cè)13～17層，焊接厚度達到加工要求后，再焊接外側(cè)18～31層。

圖4 筒體表面襯墊（單位：mm）

（2）焊接規(guī)范詳

焊接規(guī)范詳見表1。

表1 焊接規(guī)范

（3）補焊要點

a）焊前認真清理焊接部位及其附近的雜質(zhì)。

b）焊條按使用說明書進行烘干，放在保溫筒中，隨用隨取。

c）焊前將補焊部位及兩側(cè)至少100 mm范圍均勻預熱至200 ℃, 道間溫度控制在200～280 ℃。焊接時采用較小的線能量及較小電流。每層施焊厚度不得超過2 mm，道間應錘擊消除應力。

d）道間應認真清理熔渣，確認無缺陷后再焊下一焊道。

e）焊后立即進行中間消除應力熱處理。

f）焊后對凸臺進行加工及修磨，進行外觀檢查。

（4）無損檢測

補焊后至少24 h，縱焊縫進行100%RT+100%UT+100%磁粉（MT）檢測，檢測結(jié)果均合格。

5 工藝優(yōu)化

綜上所述，為了避免類似問題重復出現(xiàn)，制定了更為合理的工藝路線。

（1）筒體的下料長為5 770 mm，其中含兩端的預彎量為250 mm,號料時劃出50 mm線，板料對角線差應小于2 mm。

（2）對筒體進行打頭，按 R808.5 mm（內(nèi)半徑）進行預彎,并用樣板檢查,然后切割預彎量，切割預彎量及坡口前應預熱，采用砂輪修磨氣割坡口表面，修磨掉淬硬層，測量硬度值HB≤225，坡口表面按JB/T 4730.4—2016《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》的I級要求進行100%MT檢測。

（3）筒體冷滾成型。

（4）尺寸檢查

a）滾制后對筒節(jié)內(nèi)外表面進行檢查，不得存在凹坑及裂紋；

b）筒體的內(nèi)圓圓周長及公差為5 080 mm，公差為0～6 mm；

c）端口錯邊小于2 mm；

d）對口錯邊小于2.4 mm；棱角度小于5 mm,

e）同一斷面的最大最小直徑差小于5 mm；

f）成形后的最小厚度為54 mm。

（5）檢測合格后進行筒體縱焊縫焊接，焊接前要預熱，焊后進行消氫處理，并入爐進行ISR，如能立即入爐進行ISR，則可免做消氫處理。將焊縫內(nèi)表面磨平，焊完24 h后對筒體縱焊縫進行100%RT檢測，II級為合格；再對焊縫進行100%UT檢測，按I級為合格；焊縫表面進行100%MT檢測， I級為合格。

（6）凸臺堆焊

a）對筒體內(nèi)表面除銹并進行100%MT檢測，Ⅰ級為合格，并待堆焊凸臺部位上下各200 mm范圍內(nèi)進行100%UT檢測，Ⅰ級為合格。

b）堆焊采用手工電弧焊與埋弧自動焊相結(jié)合的方式，前兩層用小電流手工電弧焊，防止大電流輸出導致應力過大而凸臺開裂，當凸臺基層堆焊高度為35～40 mm時進行ISR,全部堆焊完成后再進行ISR。

c）對堆焊完的凸臺進行機加工，并進行100%UT檢測和100%MT檢測,Ⅰ級為合格。

d）堆焊凸臺過渡層，機加工后再堆焊面層（除凸臺上表面R處）及筒體兩端坡口。

e）對機加工后的凸臺進行100%UT，100%無損（PT）檢測，鐵素體測量值要求為3%～10%。

（7）筒體內(nèi)表面堆焊的方法不再詳細介紹。

6 結(jié)論

采用以上返修方案對該加氫反應器進行返修，并在設(shè)備進行最終熱處理后，重點檢查返修部位，檢測結(jié)果均合格，用優(yōu)化后的工藝方案制造另一節(jié)筒體及其他類似設(shè)備，效果良好，設(shè)備均未發(fā)生類似問題，且設(shè)備運抵現(xiàn)場后，安裝、運行情況良好。