石化煉油裝置石腦油加氫保護(hù)反應(yīng)器堆焊層定期檢驗(yàn)及缺陷處理方法

修 杰 秦志輝

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 南寧 530219）

在1000 萬(wàn)噸/年石化煉油裝置中的石腦油加氫及輕烴尾氣回收過(guò)程，保護(hù)反應(yīng)器是石腦油加氫裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備，為板焊結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁堆焊兩層奧氏體不銹鋼，制造技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，長(zhǎng)期在高溫、臨氫環(huán)境下運(yùn)行，裝置工藝介質(zhì)中的H2、H2S、SO2、CS2、NH3及周邊大氣等氣體，均會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生不同程度的腐蝕或破壞。根據(jù)不同的腐蝕機(jī)理，石腦油加氫-輕烴回收裝置壓力容器主要發(fā)生的損傷類型為：高溫硫腐蝕、氫腐蝕、濕H2S 腐蝕、連多硫酸應(yīng)力腐蝕、氯化物應(yīng)力腐蝕幾種類型。

保護(hù)反應(yīng)器設(shè)計(jì)及使用參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 保護(hù)反應(yīng)器設(shè)計(jì)及使用參數(shù)

1 損傷形式分析

1）高溫硫腐蝕：腐蝕的因素主要有溫度、硫化氫濃度、介質(zhì)流速、材質(zhì)以及環(huán)烷酸的含量。溫度升高促進(jìn)了硫、硫化氫、硫醇等與金屬的化學(xué)反應(yīng)，硫化氫是所有活性硫化物中腐蝕性最大的。因此，無(wú)論是原油，成品油或半成品油中所含的硫化氫濃度越高，則腐蝕性越大。由工作條件決定，腐蝕常以均勻變薄的形式出現(xiàn)，但也會(huì)發(fā)生例如局部腐蝕或高腐蝕速率破壞。

2）氫腐蝕：在裝置加氫過(guò)程中，溫度超過(guò)260℃，氫的分壓大于689kPa，就有可能發(fā)生氫分子在鋼的表面分解為原子氫而發(fā)生腐蝕。氫腐蝕是原子氫進(jìn)入鋼鐵材料，并與碳化物反應(yīng)生成甲烷(Fe3C+4H →3Fe+CH4)，由于甲烷的分子尺寸大而不易擴(kuò)散，會(huì)使甲烷在晶界或相界面等處聚集產(chǎn)生局部高壓，形成微裂紋，進(jìn)而材料脆化。

3）濕H2S 腐蝕：濕H2S 破壞主要影響材料為碳鋼和低合金鋼，其損傷過(guò)程也是跟電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，H2S 在水溶液里電離產(chǎn)生H+、HS-、S2-，電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的H 原子進(jìn)人鋼中，引起氫致開(kāi)裂（HIC）和氫鼓泡（HB）。

4）連多硫酸應(yīng)力腐蝕：連多硫酸(H2SxO6)環(huán)境一般是加工含硫原油的裝置在停工期間，殘留在設(shè)備中的含硫腐蝕產(chǎn)物遇水和氧反應(yīng)生成，若遇到連多硫酸，就會(huì)發(fā)生沿晶應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。連多硫酸應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂主要發(fā)生在奧氏體材料上。

5）氯化物應(yīng)力腐蝕：不銹鋼和鎳合金的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂絕大多數(shù)是由于氯化物引起的，由于Cl-的存在，可以有效降低金屬表面能，穿破鈍化膜，加速陽(yáng)極溶解過(guò)程。奧氏體不銹鋼的氯化物應(yīng)力腐蝕一般是穿晶斷裂。

2 檢驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

1）按容器停車(chē)操作規(guī)程，先降壓后降溫，并用N2置換反應(yīng)器內(nèi)的介質(zhì)。

2）用盲板隔斷所有進(jìn)出氣液管道并設(shè)置寫(xiě)著“盲板”字樣的隔離標(biāo)志，開(kāi)罐前應(yīng)采取抑制含硫原油的裝置在停工期間產(chǎn)生連多硫酸腐蝕的有效措施。

3）開(kāi)啟頂蓋，卸掉催化劑，卸去進(jìn)出料彎管。

4）拆除妨礙檢驗(yàn)的內(nèi)件，清除容器內(nèi)部灰渣、污物等；催化劑床層凸臺(tái)等表面應(yīng)清理干凈，露出凸臺(tái)本體；下封頭底部污物應(yīng)全部清除干凈。

5）拆除容器封頭、彎管和筒體部位保溫層。

6）搭設(shè)內(nèi)外部腳手架(層間距為1600mm ～ 1800mm，護(hù)欄高度為1000mm)，內(nèi)部為滿堂架，從容器器頂部人孔至底部為一豎井通道，專用鋼直梯設(shè)置在通道內(nèi)，每層距內(nèi)壁100mm 鋪滿跳板，外部鋪設(shè)并排跳板并搭設(shè)護(hù)欄，腳手架應(yīng)牢固可靠。

7）容器外壁受檢部位打磨除銹必須采用軟砂片，不得損傷反應(yīng)器器壁。受檢焊縫及其兩側(cè)各150mm～200mm 范圍內(nèi)必須打磨露出金屬光澤，以滿足磁粉檢測(cè)和超聲波檢測(cè)要求。

8）容器內(nèi)壁堆焊層表面油污必須用高壓水（Cl-含量小于25mg/L）沖刷和清洗，并采用軟砂片和不銹鋼絲輪打磨至露出金屬光澤（不允許損傷堆焊層面），以滿足表面檢查和滲透檢測(cè)要求。

9）容器內(nèi)氣體經(jīng)取樣分析達(dá)到含氧量應(yīng)當(dāng)在 18%～23%(體積比)規(guī)定及辦理進(jìn)罐證后，方可進(jìn)罐檢驗(yàn)，同時(shí)罐外人孔應(yīng)有專人負(fù)責(zé)監(jiān)護(hù)。

10）容器內(nèi)照明電源電壓不得超過(guò)36v，進(jìn)入容器內(nèi)部使用的工具和儀器必須用絕緣電纜作電源導(dǎo)線，從容器筒壁及底部開(kāi)口處，安裝軸流風(fēng)機(jī)或送壓縮空氣，以保證容器內(nèi)空氣流通。

3 檢驗(yàn)方法

3.1 宏觀檢查

檢測(cè)容器本體、對(duì)接焊縫、接管焊縫、熱偶套管處焊縫部位的裂紋、過(guò)熱、變形、泄漏等，焊縫表面（包括近縫區(qū)）以肉眼或5 ～10 倍放大鏡檢查裂紋；容器的裂紋最易發(fā)生在形狀、尺寸突變處或焊縫附近，特別是應(yīng)力集中的地方，應(yīng)檢查管口、管程隔板、浮頭蓋是否有裂紋。

3.2 測(cè)厚檢查

1）上下封頭：在上、中、下三個(gè)位置，在0°、90°、180°、270°四方位測(cè)定。

2）筒節(jié)抽查：在距環(huán)焊縫一定位置，在0°、90°、180°、270°四方位測(cè)定。

3）人孔及所有容器的接管：在同一截面四方位 測(cè)定。

4）發(fā)現(xiàn)有氫鼓包的部位，應(yīng)測(cè)量大鼓包的金屬厚度，以確定有效的剩余壁厚。

5）與容器殼體進(jìn)口及其接管部位、鄰近入口防沖板的容器壁內(nèi)表面可能會(huì)受到侵蝕或沖蝕，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)測(cè)厚。

6）氣液相交界（或液面波動(dòng)）部位應(yīng)當(dāng)測(cè)厚。

3.3 無(wú)損檢測(cè)

●3.3.1 超聲檢測(cè)

1）焊縫的超聲檢測(cè)

（1）筒體環(huán)焊縫抽查至少兩環(huán)縫；

（2）筒體縱焊縫抽查至少兩個(gè)縱縫全部；

（3）接管與上封頭連接的縱焊縫全部；

（4）接管與筒體或下封頭連接的縱焊縫全部；

（5）下彎管彎頭管段相連接的環(huán)縫。

對(duì)超聲掃查區(qū)域進(jìn)行100%直探頭掃查，然后利用K1、K1.5 探頭進(jìn)行兩次重復(fù)掃查，必要時(shí)還應(yīng)采用手工串列掃查，以檢出垂直表面的缺陷。

2）堆焊層剝離的超聲檢測(cè)

從外壁進(jìn)行，需要精確定位定量時(shí)，應(yīng)從堆焊層一側(cè)采用雙晶直探頭來(lái)測(cè)定，檢測(cè)區(qū)域：

（1）上封頭100%檢測(cè)；

（2）筒體抽查大于30%區(qū)域（應(yīng)包括部分鐵素體含量超標(biāo)區(qū)）；

（3）下封頭抽查可探測(cè)區(qū)域。

3）堆焊層層下裂紋的超聲檢測(cè)

從外壁進(jìn)行，需要精確定位定量時(shí)，應(yīng)從堆焊層一側(cè)采用雙晶直探頭來(lái)測(cè)定，檢測(cè)區(qū)域：

（1）上封頭100%檢測(cè)；

（2）筒體抽查大于30%區(qū)域（應(yīng)包括部分鐵素體含量超標(biāo)區(qū)）；

（3）下封頭抽查可探測(cè)區(qū)域。

采用雙晶直探頭檢測(cè)時(shí)應(yīng)在工件表面按90°方向進(jìn)行兩次掃查。

●3.3.2 磁粉檢測(cè)

檢測(cè)部位（外部）：

1）筒體環(huán)焊縫抽查50%；

2）筒體縱焊縫抽查兩個(gè)縱縫全部；

3）人孔與上封頭連接的焊縫全部；

4）接管與筒體或下封頭連接的焊縫全部；

5）下彎管彎頭管段相連接的環(huán)縫；

6）下封頭與裙座連接的角焊縫；

7）上封頭兩只吊耳與筒體連接的角焊縫。

●3.3.3 滲透檢測(cè)

檢測(cè)部位（內(nèi)部）：

1)上封頭堆焊層區(qū)域50%檢測(cè)；

2)下封頭堆焊層抽查100%；

3)筒體堆焊層抽查約50%以及鐵素體含量超標(biāo)局部區(qū)域。

4)人孔內(nèi)壁堆焊層100%；

5)支持圈或凸臺(tái)與堆焊層連接的角焊縫。

3.4 硬度測(cè)定

硬度測(cè)定屬于理化檢驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)宏觀檢驗(yàn)及資料返修記錄確定硬度測(cè)定部位，對(duì)檢驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷的部位進(jìn)行硬度測(cè)定，在濕硫化氫應(yīng)力腐蝕環(huán)境中使用的設(shè)備和第一道法蘭前的接管應(yīng)進(jìn)行硬度檢測(cè)抽查。進(jìn)行硬度測(cè)量時(shí)，應(yīng)在同一位置進(jìn)行3 次測(cè)量，當(dāng)測(cè)量值中的某一值與其他值相比存在較大偏差時(shí)，應(yīng)在該位置附近再次測(cè)量進(jìn)行確認(rèn)，以判斷是測(cè)量誤差還是材料本身問(wèn)題。

3.5 堆焊層鐵素體含量測(cè)定

采用便攜式鐵素體儀進(jìn)行測(cè)定，并用圖表記錄堆焊層鐵素體含量測(cè)定結(jié)果。

檢驗(yàn)部位：

1）內(nèi)壁堆焊層有補(bǔ)焊的部位以及過(guò)渡段手工堆焊 部位；

2）內(nèi)壁堆焊層有超標(biāo)缺陷部位；

3）內(nèi)壁堆焊層表面出現(xiàn)表面裂紋部位。

4 實(shí)際檢驗(yàn)實(shí)例

4.1 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)缺陷情況

某石化公司開(kāi)展大檢修，在石腦油加氫-輕烴回收裝置全面檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)保護(hù)反應(yīng)器（位號(hào)190-R102）存在如下缺陷：

超聲波檢測(cè)，在球形下封頭與筒體環(huán)縫3A 焊縫發(fā)現(xiàn)一內(nèi)部缺陷如圖1 所示，定性為面積型缺陷，A 型超聲顯示為深度55mm，長(zhǎng)度65mm，波幅高度SL+23dB；TOFD 檢測(cè)顯示深度53mm，長(zhǎng)度130mm。在該環(huán)縫3A 內(nèi)部同部位堆焊層表面經(jīng)滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)裂紋一處，位置距卸料口軸線逆時(shí)針?lè)较蚣s1930mm，長(zhǎng)度30mm；采取打磨措施，打磨1mm、2mm、3mm 深度時(shí)，分別做了3 次滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋未能消除，長(zhǎng)度延長(zhǎng)為48mm。

圖1 3A 局部放大圖

4.2 缺陷處理措施

針對(duì)該壓力容器存在的缺陷，檢驗(yàn)人員向使用單位出具《特種設(shè)備檢驗(yàn)意見(jiàn)通知書(shū)》，建議由原制造單位對(duì)堆焊層表面裂紋缺陷分析原因后打磨消除，并視打磨深度確定返修方案。要求原制造單位施工前應(yīng)當(dāng)向壓力容器使用登記機(jī)關(guān)書(shū)面告知。并且備齊相關(guān)資料向監(jiān)檢單位辦理申請(qǐng)維修監(jiān)督檢驗(yàn)的手續(xù)。維修方案須由本單位技術(shù)負(fù)責(zé)人審核批準(zhǔn)，并經(jīng)原設(shè)計(jì)單位或者具備相應(yīng)資格的設(shè)計(jì)單位同意。返修方案應(yīng)符合產(chǎn)品圖紙的制造技術(shù)要求（如：材料、熱處理、無(wú)損檢測(cè)等），對(duì)需要焊接返修的缺陷應(yīng)分析產(chǎn)生的原因，提出有效預(yù)防措施。針對(duì)返修部位須編制切實(shí)可行的焊接、無(wú)損檢測(cè)、熱處理工藝，進(jìn)行焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證。

4.3 返修控制要點(diǎn)

●4.3.1 確定缺陷位置并打磨消除

1）對(duì)表面裂紋進(jìn)行打磨，打磨后進(jìn)行核級(jí)PT檢測(cè)，按JB/T 4730.5—2005，Ⅰ級(jí)合格，徹底消除裂紋。

2）對(duì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部缺陷進(jìn)行UT 復(fù)查，確定上述打磨是否已經(jīng)消除同部位內(nèi)部缺陷。

3）對(duì)缺陷部位及附近區(qū)域進(jìn)行UT 測(cè)厚，實(shí)際厚度小于圖紙要求的最小厚度，需對(duì)基層進(jìn)行補(bǔ)焊。

●4.3.2 修復(fù)方法

在消除焊接裂紋后，采用砂輪打磨修復(fù)部位，打磨后用光譜分析儀區(qū)分出基層和耐腐層。

按JB/T 4730.5—2005 進(jìn)行PT 檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

●4.3.3 基層修復(fù)

1）清理焊接坡口油污，待修復(fù)區(qū)進(jìn)行消氫處理，300mm 范圍加熱至300℃保溫1h，待降至100℃時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊。

2）基層補(bǔ)焊采用焊條電弧焊，焊條選用R307C，工藝參數(shù)如下：

R307C φ3.2 I=90～120A，U=20～24V，V速≥100mm/min，焊工資格：SMAW-FeII-2G-12-Fef3J。

3）后熱 （250～350）℃×2hr

4）后熱24h 后，對(duì)補(bǔ)焊后的基層打磨，打磨光滑后進(jìn)行PT100%及UT100%檢測(cè)，分別按JB/T 4730.5—2005，Ⅰ級(jí)合格，JB/T 4730.3—2005，Ⅰ級(jí)合格。

●4.3.4 堆焊層修復(fù)

1）清理油污，過(guò)渡層焊前預(yù)熱≥150℃。

2）堆焊層采用焊條電弧焊，工藝參數(shù)如下：

過(guò)渡層：E309L φ3.2 I=90～120A，U=20～24V， V速≥120mm/min

表 層：E347L φ3.2 I=90～120A，U=20～24V，V速≥120mm/min

過(guò)渡層：層間溫度（150～250）℃，

表層：控制層間溫度（5～100）℃

焊工資格：SMAW-FeⅣ-2G-12-Fef4J

3）后熱（300～350）℃×2hr。

4）后熱24h 后，對(duì)堆焊層進(jìn)行PT100%檢測(cè)，按JB/T 4730.5—2005 中Ⅰ級(jí)合格，UT100%檢測(cè)。

●4.3.5 熱處理要求

采用電腦溫控柜控制整個(gè)熱處理過(guò)程。在下封頭與筒體環(huán)縫部位沿筒體圓周覆蓋電加熱片24 片，規(guī)格660mm×330mm，加熱寬度660mm，加熱片外包裹保溫棉厚度不小于100mm。下封頭與筒體環(huán)縫部位沿筒體圓周均勻布置8 支熱電偶控制溫度（熱電偶布置盡量在補(bǔ)焊部位）。加熱期間，各個(gè)開(kāi)口接管須堵塞嚴(yán)實(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上分析了石腦油加氫保護(hù)反應(yīng)器失效機(jī)理，有針對(duì)性的確定了檢驗(yàn)方法和重點(diǎn)部位，提出了缺陷處理的要求和返修的控制要點(diǎn)。通過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了存在的重大危險(xiǎn)缺陷，經(jīng)各方配合，克服關(guān)鍵設(shè)備返修技術(shù)難題，成功消除缺陷并返修合格，這對(duì)于開(kāi)展大型石化煉油設(shè)備堆焊層的定期檢驗(yàn)工作具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

[1] TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2] TSG R7001—2013 壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[3] JB/T 4730—2005 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)[S].

[4] 王召群.熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁不銹鋼堆焊層表面缺陷處理方法[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2006，06：39-41.

[5] 周鵬程.在用熱壁加氫反應(yīng)器不銹鋼堆焊層檢測(cè)[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2013，03：31-35.

[6] 劉巍.加氫反應(yīng)器堆焊層的質(zhì)量控制與缺陷處理[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2012，01：6-9+69.

[7] 林建榮.加氫裂化反應(yīng)器的檢驗(yàn)及缺陷處理[J].壓力容器，1999，03：74-83+2.