在役厚壁壓力容器現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)研究及應(yīng)用

王暉球 王雪驕 朱永有 晏君文

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，一些在役壓力容器已處于超期服役或帶傷運行，經(jīng)在役檢驗綜合評價后需進(jìn)行修復(fù)[1]。在役容器經(jīng)過使用運行，材料性能發(fā)生變化，由于受多種因素的影響，焊縫變化比母材更敏感[2]。因此，要保證修復(fù)質(zhì)量，修復(fù)方案至關(guān)重要。

本文主要介紹一臺在役厚壁(SA516-Gr70+TP.316L堆焊層)壓力容器的現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)，為類似問題設(shè)備的修復(fù)提供借鑒。

1 設(shè)備概況

主要技術(shù)參數(shù)：設(shè)計壓力9.1 MPa；工作壓力8.3 MPa；最高工作溫度60℃；操作介質(zhì)為胺液和天然氣。殼體最大壁厚130 mm；內(nèi)徑?3709 mm；基體材料為SA516-Gr70鋼板；內(nèi)壁TP.316L堆焊層，單層厚4.5 mm，雙層厚6.5 mm。

根據(jù)現(xiàn)場無損檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：筒體上多條焊縫存在不同程度的超標(biāo)缺陷，需進(jìn)行修復(fù)。

2 主要技術(shù)性能指標(biāo)

結(jié)合現(xiàn)場施工條件，采用有效修復(fù)手段對超標(biāo)焊縫進(jìn)行修復(fù)，使修復(fù)焊縫按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行100%MT、UT、TOFD無損檢驗檢查，I級合格，母材和焊縫硬度測量值≤200 HBW，熱影響區(qū)硬度測量值≤210 HBW。主要技術(shù)性能指標(biāo)見表1和表2。

表1 母材室溫力學(xué)性能要求

表2 焊縫熔敷金屬化學(xué)成分要求(%)

3 技術(shù)準(zhǔn)備

根據(jù)設(shè)備性能指標(biāo)選用低氫型焊條AT-J507HIC(?4.0 mm)進(jìn)行修復(fù)，鑒于修復(fù)設(shè)備的復(fù)雜工況，對焊材進(jìn)行相應(yīng)的焊接試驗，獲得確保在設(shè)備上使用后焊縫能滿足在役使用要求的規(guī)范參數(shù)。

3.1 擴(kuò)散氫驗證性試驗

對焊條AT-J507HIC(?4.0 mm)按照GB/T 3965—2012《熔敷金屬中擴(kuò)散氫測定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擴(kuò)散氫含量的測定。對熔敷金屬、250℃×2 h消氫后、620℃×4 h消應(yīng)后三種狀態(tài)下焊縫擴(kuò)散氫含量進(jìn)行測定，見表3。

表3 三種不同狀態(tài)下擴(kuò)散氫試驗測定結(jié)果

從上述試驗結(jié)果可以看出，焊條烘干后，再進(jìn)行620℃×4 h消應(yīng)處理后，擴(kuò)散氫含量大幅度降低。

3.2 焊接工藝評定試驗

根據(jù)設(shè)備技術(shù)條件及NB/T 47014—2011、NB/T 47015—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行焊接工藝評定試驗[3-4]，為驗證上述焊材在長時間熱處理溫度下焊縫性能能否達(dá)到設(shè)計技術(shù)條件的要求，將最大熱處理時間放寬到18 h。試板材料Q345R，厚度δ=40 mm。Min.PWHT為620±20℃×3 h，Max.PWHT為620±20℃×18 h。焊接參數(shù)見表4，焊前預(yù)熱100℃，層間溫度≤250℃。熔敷金屬化學(xué)成分見表5，力學(xué)性能檢測結(jié)果見6。

表4 焊接參數(shù)

表5 焊縫熔覆金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

根據(jù)現(xiàn)場焊接位置，使用上述焊材，補(bǔ)充SMAW立向上焊接位置的-30℃沖擊試驗，焊接電流140～150 A，焊接電壓23～26 V，焊接速度7～9 cm/min，試驗結(jié)果見表6。

表6 力學(xué)性能檢測結(jié)果

熱處理狀態(tài)硬度HV5檢測位置母材熱影響區(qū)焊縫區(qū)熱影響區(qū)母材-30℃(T∕2)(立) KV2∕J焊縫熱影響區(qū)母材Min.PWHTMin.PWHT表面T∕2164、156、187156、150、163160、160、164150、148、145179、181、171180、180、180161、183、151150、151、144163、157、160144、159、161210、179、209194、116、162186、155、176

從上述試驗檢測結(jié)果可以看出焊接接頭具有較高強(qiáng)度和良好塑性和韌性，表面和T/2位置各區(qū)硬度均小于200HBW，完全滿足設(shè)計技術(shù)條件要求。合格后形成焊接工藝評定報告(PQR)為后續(xù)現(xiàn)場修復(fù)提供技術(shù)支撐。結(jié)合在役容器使用運行情況及需要修復(fù)焊縫的情況，確定焊縫修復(fù)后進(jìn)行620±15℃×4.5 h整體焊后熱處理。

4 修復(fù)方案

4.1 修復(fù)原則

考慮設(shè)備內(nèi)壁有不銹鋼堆焊層，其與基體之間狀況較復(fù)雜，因此焊縫靠近內(nèi)表面50 mm范圍內(nèi)缺陷由內(nèi)側(cè)進(jìn)行修復(fù)，除此以外均在外側(cè)實施修復(fù)。

4.2 詳細(xì)修復(fù)方案

4.2.1 硬度檢測

鑒于設(shè)備運行周期較長，對殼體上所有焊接接頭進(jìn)行硬度檢測(硬度值包括焊縫金屬，熱影響區(qū)和母材部位的硬度)，硬度檢測前用拋光砂輪對檢測部位做拋光處理。

4.2.2 設(shè)備整體消氫

由于設(shè)備殼體厚度較厚，運行周期較長，為保證焊縫返修的整體質(zhì)量，在修復(fù)前采用整體內(nèi)燃法對設(shè)備進(jìn)行整體消氫350℃×4 h，對焊縫進(jìn)行脫氫處理。

4.2.3 無損檢測

設(shè)備整體脫氫處理后，對所有基體焊縫進(jìn)行100%MT、UT、TOFD檢測。對比脫氫處理前的檢測結(jié)果，對需要修復(fù)的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

4.2.4 缺陷清除

缺陷清除前，根據(jù)檢測報告，需清楚缺陷性質(zhì)、大小和位置。

4.2.4.1 從外側(cè)進(jìn)行修復(fù)焊縫

(1)在筒體外側(cè)對缺陷部位及周邊200 mm范圍進(jìn)行預(yù)熱，要求預(yù)熱溫度100～150℃。檢測筒體內(nèi)側(cè)預(yù)熱溫度，要求受熱均勻。

(2)采用碳弧氣刨清除缺陷，要求從缺陷兩端外延20 mm開始往中間氣刨。根據(jù)檢測確定的缺陷位置，確保缺陷全部清除干凈，氣刨后的坡口底部應(yīng)圓滑，角度有利于后續(xù)施焊。用砂輪打磨氣刨坡口表面，去除滲碳層見金屬光澤。目視檢查合格后對打磨部位進(jìn)行100%PT檢測，I級合格。

4.2.4.2 從內(nèi)側(cè)進(jìn)行修復(fù)焊縫

(1)結(jié)合探傷確定的缺陷位置，從筒體內(nèi)側(cè)在缺陷焊縫位置兩側(cè)各外延35 mm劃線標(biāo)記，確定修復(fù)區(qū)域，并做好尺寸記錄。在距離修復(fù)區(qū)域50 mm位置標(biāo)記檢測基準(zhǔn)線，并做修復(fù)區(qū)域位置指向標(biāo)記，便于后續(xù)檢測時修復(fù)焊縫的位置確定。

(2)采用超聲無損檢測，測量需修復(fù)區(qū)域堆焊層的厚度δ，并做好厚度記錄。

(3)結(jié)合檢測的堆焊層厚度，清除需要修復(fù)區(qū)域的堆焊層。對修復(fù)區(qū)域兩側(cè)15 mm范圍采用無鐵砂輪打磨去除，邊緣與周邊堆焊層45°圓滑過渡，其余部分采用碳弧氣刨去除(操作時注意保護(hù)好周邊堆焊層，避免污染)，要求去除堆焊層的厚度為(δ+0.5 mm)。

(4)采用無鐵砂輪打磨上述去除區(qū)域，平整后滿足檢測要求，并進(jìn)行100%PT檢測，I級合格。

(5)在修復(fù)部位筒體外側(cè)對缺陷部位及周邊200 mm范圍進(jìn)行預(yù)熱，要求預(yù)熱溫度100～150℃。檢測筒體內(nèi)側(cè)預(yù)熱溫度，要求受熱均勻。

(6)采用碳弧氣刨清除缺陷，氣刨后的打磨要求同上4.2.4.1條。

(7)目視檢查合格后對打磨部位及周邊10 mm范圍內(nèi)堆焊層100%PT檢測，I級合格。

4.2.5 焊接修復(fù)

(1)施焊環(huán)境應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，否則在修復(fù)位置設(shè)置防風(fēng)、防雨等設(shè)施。

(2)施焊修復(fù)時，合格項目要與所施焊設(shè)備的材質(zhì)及焊接位置適應(yīng)，并在有效期間擔(dān)任合格項目范圍內(nèi)的焊接工作。

(3)焊前預(yù)熱和焊后消氫處理采用天然氣或電加熱進(jìn)行。根據(jù)評定合格的PQR制定焊接工藝，嚴(yán)格按照規(guī)定的工藝規(guī)范參數(shù)進(jìn)行焊接，并做好施焊記錄。

(4)焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度。

(5)焊條必須按照要求進(jìn)行烘干，并放在保溫筒中使用，隨取隨用。

4.2.5.1 基體焊縫焊接修復(fù)

殼體內(nèi)側(cè)修復(fù)時，焊接前需將待焊坡口表面及其附近200 mm范圍內(nèi)的油銹等雜質(zhì)清理干凈。坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)堆焊層表面應(yīng)涂防飛濺涂料。

焊接前對待焊部位及附近200 mm范圍預(yù)熱150～200℃，筒體內(nèi)側(cè)檢測預(yù)熱溫度，要求受熱均勻。

采用焊條電弧焊(SMAW)進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)見表7，焊接過程應(yīng)保持連續(xù)，焊接部位及附近200 mm范圍溫度應(yīng)保持不低于預(yù)熱溫度，嚴(yán)格控制層間溫度，每層焊縫的熔渣應(yīng)清除干凈。焊接過程中應(yīng)及時清渣，觀察焊道成型，出現(xiàn)不良焊道應(yīng)及時處理，保證焊接質(zhì)量。坡口焊接與基體表面平齊。焊后立即進(jìn)行消氫處理(DHT)，采用電加熱方式加熱，DHT后緩冷。

表7 基體焊縫焊接規(guī)范參數(shù)

4.2.5.2 堆焊層的補(bǔ)堆(內(nèi)側(cè)修復(fù))

基體修復(fù)焊縫按4.2.6條無損檢測合格后，將待補(bǔ)堆表面及其附近100 mm范圍內(nèi)的油銹、防飛濺涂料等雜質(zhì)清理干凈。

采用焊條電弧焊對修復(fù)部位堆焊層進(jìn)行補(bǔ)堆，焊接工藝參數(shù)見表8，嚴(yán)格控制層間溫度。過渡層堆焊1層，堆焊前對補(bǔ)堆部位及其附近100 mm范圍預(yù)熱，要求受熱均勻，堆焊后立即進(jìn)行DHT。用無鐵砂輪打磨過渡層表面，并進(jìn)行100%PT檢測，Ⅰ級。合格后，耐蝕層堆焊1～2層，室溫下堆焊，與周邊堆焊層圓滑過渡，耐蝕層堆焊后過渡層+耐蝕層總厚度不小于6.5 mm。

表8 不銹鋼層補(bǔ)堆焊接規(guī)范參數(shù)

用無鐵砂輪打磨補(bǔ)堆表面，檢查補(bǔ)堆堆焊層的表面質(zhì)量是否滿足要求，測量堆焊表面鐵素體數(shù)，并按照設(shè)備技術(shù)條件要求對堆焊層進(jìn)行100%PT、UT無損檢測。

采用超探方法檢測堆焊層厚度，要求補(bǔ)堆后過渡層+耐蝕層總厚度不小于6.5 mm。

4.2.6 無損檢測

對修復(fù)的基體焊縫進(jìn)行100%MT、UT、TOFD檢測，Ⅰ級合格，同時對修復(fù)焊縫所在的焊縫上的其余位置焊縫進(jìn)行100% UT、TOFD復(fù)查，檢測內(nèi)部質(zhì)量情況與返修前是否有變化。

4.2.7 焊后熱處理(PWHT)

為了消除修復(fù)時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的組織和性能，降低硬度，提高塑性和韌性，采用內(nèi)燃法整體焊后消應(yīng)熱處理，見圖1。

圖1 內(nèi)燃法整體焊后消應(yīng)熱處理曲線

4.2.8 無損檢測

PWHT后，對所有基體焊縫進(jìn)行100%MT、UT檢測，I級合格。對新焊接的堆焊層進(jìn)行100%PT檢測，I級合格。

4.2.9 硬度檢測

對設(shè)備殼體上所有焊接接頭進(jìn)行硬度檢測(硬度值包括焊縫金屬，熱影響區(qū)和母材部位的硬度)，硬度檢測前用拋光砂輪對檢測部位拋光處理，要求修復(fù)后的焊接接頭硬度滿足技術(shù)要求≤200HBW，其余焊接接頭記錄實測值。

4.2.10 水壓試驗

根據(jù)設(shè)備壓力和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行水壓試驗。水壓試驗后的無損檢測同4.2.8條。

5 應(yīng)用情況

按照修復(fù)方案的要求進(jìn)行現(xiàn)場修復(fù)工作。堆焊層鐵素體數(shù)含量FN均在3～10范圍內(nèi)，滿足要求。焊接完成后，一次性通過100%MT、PT、UT、TOFD無損檢測，PWHT后及水壓試驗后一次性通過100%MT、PT、UT無損檢測。消應(yīng)熱處理后焊接接頭三區(qū)硬度在120～190HBW之間，均≤200HBW，滿足要求。

6 結(jié)論

(1)從修復(fù)焊縫的無損檢驗結(jié)果、焊接接頭三區(qū)硬度數(shù)據(jù)可以看出，修復(fù)焊縫完全滿足設(shè)備技術(shù)條件的要求，驗證了本文所述的在役厚壁壓力容器修復(fù)技術(shù)是合理、可行的。

(2)在役厚壁壓力容器使用運行后，由于多種因素對焊縫的影響，因此，修復(fù)前的脫氫處理和焊后熱處理是必要的。對壁厚較大，修復(fù)量較大的情況，應(yīng)采取整體設(shè)備脫氫處理和焊后熱處理。