焦炭塔內(nèi)壁裂紋修復(fù)焊接工藝研究

康鴻雁 張麗麗 李世紅

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

北京燕山分公司煉油部延遲焦化裝置焦炭塔（C－2101/ 1）（設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1），塔體材質(zhì)采用低合金珠光體耐熱鋼14Cr1MoR。因原油含硫量偏高，第四段以上主體材質(zhì)選用復(fù)合鋼板14Cr1MoR＋0Cr13(TP410S)。2007 年建成投入使用，2013 年內(nèi)外檢定無(wú)缺陷，2016 年6 月煉化大檢修過(guò)程中未作檢驗(yàn)，2021 年4 月在煉化大檢修時(shí)對(duì)其進(jìn)行定期檢驗(yàn)，檢驗(yàn)過(guò)程中在其內(nèi)部的B7、B8 環(huán)焊縫處通過(guò)滲透無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)細(xì)而長(zhǎng)的沿焊縫熔合線延伸的單一線狀裂紋，呈斷續(xù)分布在整圈環(huán)焊縫上，有的單條裂紋長(zhǎng)度已達(dá)到了數(shù)米，如果返修工藝制定和控制不當(dāng)，修復(fù)后，很有可能再次出現(xiàn)冷裂紋和再熱裂紋。考慮到焦炭塔自身材質(zhì)特殊，焊接工藝復(fù)雜，又面臨檢修工期緊，天氣炎熱，長(zhǎng)期使用后內(nèi)部結(jié)焦嚴(yán)重，作業(yè)條件艱苦等諸多不利因素，本文從裂紋原因分析、焊接修復(fù)、熱處理等角度闡述了如何通過(guò)短時(shí)間內(nèi)確定出的安全、優(yōu)質(zhì)而高效的裂紋返修工藝，攻克焦炭塔修復(fù)的技術(shù)難題，確保焦炭塔修復(fù)合格后可以按期投入使用，且使用周期至少達(dá)到4年。

表1 焦炭塔設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)焦炭塔C- 2101/ 1 的實(shí)際工況及原有的交工資料基礎(chǔ)上，規(guī)劃合理的焊接工藝，用于解決現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)難題。

1 焦炭塔缺陷原因分析

通過(guò)目視檢測(cè)和PT 檢測(cè)，焦炭塔整圈環(huán)縫即使在同一截面變形也不均勻，存在橢圓度，其中北側(cè)局部變形最為嚴(yán)重，焦炭塔膨脹變形見(jiàn)圖1。

圖1 焦炭塔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量膨脹變形圖

發(fā)現(xiàn)焦炭塔（C2101- 1）裂紋缺陷主要出現(xiàn)在B7、B8兩圈環(huán)焊縫（詳見(jiàn)圖2），沿環(huán)向整圈焊縫熔合線多處開(kāi)裂，長(zhǎng)短不一，下熔合線更為嚴(yán)重，其中最長(zhǎng)一條長(zhǎng)達(dá)3600mm，但深度不超過(guò)15mm，所示具體數(shù)據(jù)詳見(jiàn)列表2。

表2 焦炭塔裂紋情況

圖2 C2101- 1 裂紋目視檢測(cè)圖 C2101- 1 裂紋PT檢測(cè)圖

從圖1、圖2 和表2 可見(jiàn)，此焦炭塔的變形和開(kāi)裂情況十分嚴(yán)重。

經(jīng)查閱焦碳塔制造、安裝和歷年修復(fù)記錄，結(jié)合材料特性，認(rèn)為其缺陷產(chǎn)生的原因如下：

（1）焦炭塔由于工藝條件苛刻，操作工況復(fù)雜，溫度從環(huán)境溫度到450- 495℃再降到常溫，溫度變化范圍大且頻繁。經(jīng)計(jì)算，焦炭塔到495℃時(shí)縱向膨脹量約150mm～200mm，橫向膨脹量約53～60mm。在塔體內(nèi)將產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，反之，冷卻時(shí)又將收縮。在每一個(gè)循環(huán)周期，塔高和直徑的伸縮將導(dǎo)致塔壁膨脹，并造成局部應(yīng)力過(guò)大處的疲勞裂紋。

（2）在升溫和降溫過(guò)程中，由各部不同的溫度產(chǎn)生的熱變形不一致，產(chǎn)生相互約束和牽制，高溫區(qū)受壓，低溫區(qū)受拉。和上面所述的約束所引起的熱應(yīng)力疊加，形成一個(gè)十分復(fù)雜的不均衡的應(yīng)力場(chǎng)[1]。

（3）由于生產(chǎn)工藝調(diào)整，縮短生焦周期，導(dǎo)致溫度變化更加劇烈，熱疲勞和塑性降低導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

（4）該裝置長(zhǎng)期攙煉高硫原油，原料腐蝕較為嚴(yán)重。檢查時(shí)，塔內(nèi)壁有坑蝕跡象，且有沖刷痕跡，實(shí)測(cè)最小壁厚29.1mm，焊縫兩側(cè)尤為明顯，即使在內(nèi)部應(yīng)力完全消除的情況下，最終也會(huì)導(dǎo)致焊縫下部熱影響區(qū)處于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[2]。

（5）歸結(jié)一點(diǎn)，焦炭塔長(zhǎng)期處于高溫下工作，受到充焦和除焦的交替作用，塔體受到冷熱疲勞、軸向和縱向溫差引起局部塑性變形，在熱棘輪效應(yīng)、熱疲勞、溫差應(yīng)力、敏化區(qū)含硫環(huán)境下及熱疲勞耦合作用下產(chǎn)生開(kāi)裂。

（6）特殊原因：常規(guī)煉化檢修時(shí)間為4 年，但由疫情影響，焦炭塔已運(yùn)行5 年之后停車檢修，塔內(nèi)壁有較厚的焦層附著，厚度達(dá)4～5mm，見(jiàn)圖3 所示。焦炭是熱的不良導(dǎo)體，焦化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，內(nèi)壁附著殘留的焦層造成了塔內(nèi)壁溫度明顯低于操作溫度，盡管塔外壁有保溫層，但塔壁在厚度方向上仍存在很大溫差。隨著焦炭使用時(shí)間的增加，這種溫差逐漸增大，熱應(yīng)力使塔壁發(fā)生蠕變的作用較往常的焦炭塔檢修更為嚴(yán)峻。

圖3 焦炭塔內(nèi)壁焦油覆蓋

2 14Cr1MoR的焊接性能分析

焦炭塔B7、B8 環(huán)縫母材為14Cr1MoR，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表3 及表4。

由表3、表4 的數(shù)據(jù)及對(duì)該種材料的經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算得到14Cr1MoR 鋼的CE 為0.35%～0.64%，Psr 裂紋指數(shù)為- 0.06%～1.16%[3]。14Cr1MoR 鋼具有一定淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，焊接性能較差，應(yīng)采用低氫焊條，控制焊接線能量。同時(shí)，焊接過(guò)程需進(jìn)行預(yù)熱、層間溫度控制和后熱。

表3 14Cr1MoR鋼板化學(xué)成分一覽表 %

表4 14Cr1MoR鋼板機(jī)械性能一覽表

14Cr1MoR 鋼存在較多沉淀強(qiáng)化的合金元素（Cr、Mo），焊接過(guò)程熱影響區(qū)承受高溫，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，經(jīng)過(guò)700℃左右的焊后熱處理，碳化物在晶粒內(nèi)部析出，晶界薄弱，當(dāng)拘束應(yīng)力超過(guò)晶界抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生再熱裂紋。故需采取以下措施：控制焊接時(shí)線能量減小熱輸入，盡量減少過(guò)熱粗晶區(qū)；在焊接材料成分的選擇上，遵循適當(dāng)降低焊縫強(qiáng)度以及提高塑性變形能力的原則；采用預(yù)熱和后熱措施；減少再熱裂紋的產(chǎn)生[4]。

3 缺陷修復(fù)及檢測(cè)要求

焦炭塔的修復(fù)工作，分別從消氫處理、焊接材料和焊接方法的選擇、焊接參數(shù)的確定及熱處理工藝等方面進(jìn)行策劃。

由于焦炭塔本身的特點(diǎn)和裝置檢修工期的緊迫性，4月22 日檢測(cè)出裂紋，要求5 月6 日開(kāi)車，工期緊張，內(nèi)部又無(wú)法搭設(shè)腳手架，煉油廠安裝“傘形升降平臺(tái)”，見(jiàn)圖4，即利用焦炭塔除焦系統(tǒng)現(xiàn)有的鉆桿、鉆機(jī)絞車、鋼絲繩等設(shè)備，在鉆桿上安裝可伸展收縮的“傘形升降平臺(tái)”進(jìn)行焦炭塔的全面檢驗(yàn)和焊接作業(yè)，傘形升降平臺(tái)最多一次性容納5 人，所有人員必須在傘形升降平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)＋打磨、裂紋清理施工作業(yè)，為后續(xù)傳動(dòng)部分檢修及底閥、頂閥安裝爭(zhēng)取時(shí)間。

圖4 傘形升降平臺(tái)

3.1 修復(fù)前的消氫處理

焦炭塔體主焊縫布置見(jiàn)圖5，B7、B8 下筒體環(huán)縫14Cr1MoR 開(kāi)裂缺陷處，先對(duì)返修部位進(jìn)行加熱- 恒溫- 冷卻的消氫處理三個(gè)過(guò)程，加熱范圍為焊縫兩側(cè)各不少于100mm，在300～350℃下恒溫4h。冷卻過(guò)程應(yīng)保溫緩冷，100℃之后自然冷卻，當(dāng)保溫緩冷至100℃時(shí)可以進(jìn)行實(shí)焊。

圖5 塔體主焊縫布置簡(jiǎn)圖

3.2 焊接方法和焊接材料的選擇

設(shè)計(jì)文件中對(duì)熔敷金屬中S、P 含量和其他雜質(zhì)元素（主要為As、Sn、Sb）提出了特殊要求，且焊縫金屬的室溫抗拉強(qiáng)度不超過(guò)母材的上限，焊縫金屬的室溫屈服強(qiáng)度應(yīng)處于母材屈服強(qiáng)度的100%～110%范圍內(nèi)。因此，選用的14Cr1MoR 焊接材料為低氫型焊接材料。同時(shí)，焊接前要對(duì)同一爐批號(hào)焊條作化學(xué)成分分析，其結(jié)果需滿足表5的規(guī)定。

表5 未稀釋的焊縫金屬化學(xué)成分要求一覽表 %

同時(shí)，焊接方法需保證焊縫與母材有相似的化學(xué)成分并保證其機(jī)械性能滿足以上的要求，因此選擇（SMAW）方法進(jìn)行返修。

對(duì)于所選用的焊接材料，不希望環(huán)縫強(qiáng)度和屈服限過(guò)高，特別是σ0.2 比母材高的太多，對(duì)設(shè)備的“腰鼓”不利（“腰鼓”是焦炭塔失效的主要模式，圖6 為焦炭塔長(zhǎng)期使用后腰鼓狀態(tài)圖）[1]。因此需要嚴(yán)格控制熔敷金屬的高溫（475℃）時(shí)的σ0.2，使熔敷金屬的σ0.2 原則上不高于14Cr1MoR 鋼高溫（475℃）σ0.2 的10%（這是國(guó)外為改善和提高焦炭塔使用壽命的措施）。因此在滿足設(shè)計(jì)技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，選用低強(qiáng)度級(jí)別的焊條更有利用保證焊接接頭的質(zhì)量。

圖6 焦炭塔長(zhǎng)期使用后腰鼓狀態(tài)圖

3.3 焊接參數(shù)

焊接線能量、焊前預(yù)熱溫度和層間溫度等焊接參數(shù)通過(guò)影響焊接接頭的冷卻條件，影響接頭組織性能。焊接線能量越大，接頭冷卻速度越低，晶粒越粗大，強(qiáng)度和韌性下降，補(bǔ)焊時(shí)，采用小線能量，參數(shù)見(jiàn)表6，直流反極性，焊條不擺動(dòng)，快速焊，焊接過(guò)程中控制道間溫度，能提高焊接頭的冷卻速度，改善顯微組織，提高沖擊韌度，同時(shí)減小焊接接頭過(guò)熱區(qū)的寬度，防止晶粒長(zhǎng)大、變形和開(kāi)裂。

表6 焊接工藝參數(shù)

3.4 預(yù)熱和后熱方式及要求

預(yù)熱時(shí)，補(bǔ)焊處及周邊100mm 范圍內(nèi)區(qū)域，預(yù)熱溫度為160～250℃；

后熱時(shí)，在焊接完成后，立即用履帶磁力吸附式電加熱片對(duì)補(bǔ)焊處及周邊100mm 范圍內(nèi)后熱，后熱溫度為300～350℃之間，后熱時(shí)間30min。

預(yù)熱及后熱方法采用電加熱法，采用電腦控溫儀控制溫度。

3.5 焊接操作控制

起、收弧位置應(yīng)在補(bǔ)焊區(qū)域內(nèi)，收弧應(yīng)填滿弧坑。焊接時(shí)采用多層多道焊，不得采用單道焊大電流、慢速橫向擺動(dòng)焊方法進(jìn)行焊接。注意起弧、收弧處的質(zhì)量，每道焊縫的起弧、收弧位置應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，每焊完一層應(yīng)目視檢查，確定無(wú)缺陷后再焊下一層。焊接速度應(yīng)均勻一致，防止過(guò)快及過(guò)慢，以減小焊接應(yīng)力和焊接變形。

3.6 焊后熱處理

熱處理前要做好準(zhǔn)備工作，對(duì)加熱區(qū)熱電偶進(jìn)行嚴(yán)控，準(zhǔn)備好備件，以免由于熱電偶損壞造成局部加熱不均勻和外側(cè)邊緣產(chǎn)生有害的溫度梯度，焊后熱處理工藝見(jiàn)表7。

表7 熱處理工藝參數(shù)

3.7 硬度測(cè)試要求

熱處理后在塔體對(duì)補(bǔ)焊部位的母材、焊縫及熱影響區(qū)分別進(jìn)行硬度測(cè)量，滿足焊接接頭的硬度值≤225HB的要求。

3.8 外觀及無(wú)損檢測(cè)要求

焊縫表面不得有氣孔、裂紋、咬邊、未熔合、夾渣等缺陷。無(wú)損檢測(cè)應(yīng)在焊接結(jié)束后至少24h 后，將焊縫余高打磨為零后，方可進(jìn)行。修復(fù)焊縫表面100%滲透檢驗(yàn)、100%磁粉，修復(fù)部位100%超聲波探傷檢驗(yàn)，I 級(jí)合格。

4 修復(fù)質(zhì)量評(píng)定及修復(fù)時(shí)的注意事項(xiàng)

4.1 修復(fù)后的質(zhì)量評(píng)定

(1）所有修復(fù)焊縫及上下100mm 范圍，在熱處理后應(yīng)進(jìn)行超聲及滲透檢測(cè)，補(bǔ)焊焊縫表面進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，焊接坡口和補(bǔ)焊焊縫表面進(jìn)行100%磁粉和滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為I 級(jí)合格。

(2）補(bǔ)焊位置在焦炭塔東、西、南、北四個(gè)方位均進(jìn)行了硬度值檢測(cè)，焊縫、熱影響區(qū)、母材對(duì)比實(shí)測(cè)值如表8 所示，最高值為218HB，證明焊接接頭質(zhì)量及熱處理質(zhì)量均良好。

表8 熱處理后硬度值實(shí)測(cè)值

焦炭塔修復(fù)后，經(jīng)評(píng)定質(zhì)量是可靠的。

4.2 修復(fù)時(shí)的注意事項(xiàng)

(1）是否采用合格的焊接材料，直接決定著整個(gè)焦炭塔的修復(fù)質(zhì)量，焊接前必須對(duì)焊接材料進(jìn)行比對(duì)選擇。焊縫金屬的合金化是整個(gè)焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，選擇焊接材料時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注焊接材料的合金化需求。要避免使用硫元素、磷元素和氮元素過(guò)高的材料，有效過(guò)渡合金元素，實(shí)現(xiàn)較高的焊接工藝質(zhì)量[5]。

(2）在焦炭塔運(yùn)行過(guò)程中，氫會(huì)深入塔壁，當(dāng)檢修或改造時(shí)恭候，塔壁中溶解氫一部分會(huì)逸出，而大部分仍滯留在塔壁之中，這些殘留氫的存在會(huì)使塔壁焊接時(shí)出現(xiàn)冷裂紋，所以必須在焊接前進(jìn)行消除。確定加熱溫度也非常關(guān)鍵，鐵素體相經(jīng)過(guò)350～500℃加熱后，韌性和塑性會(huì)顯著降低，475℃時(shí)脆化速度最快，故消氫處理不宜超過(guò)350℃[6]。

(3）本次修復(fù)過(guò)程中，在消氫處理，碳弧氣刨+ 砂輪打磨到滲透檢測(cè)后，焊縫上部出現(xiàn)了長(zhǎng)約9000mm，寬約40mm 的連續(xù)表面裂紋帶，如圖7 所示，多條密集狀裂紋共存大多細(xì)而短，裂紋深度≤3mm，且有彎曲，考慮到是14Cr1MoR 對(duì)應(yīng)力釋放開(kāi)裂具有敏感性，對(duì)表面裂紋采用碳弧氣刨+ 砂輪打磨清除的方法，清除后無(wú)擴(kuò)展裂紋產(chǎn)生。

圖7 修復(fù)前消氫處理- 碳弧氣刨+砂輪打磨- 滲透檢測(cè)后出現(xiàn)的裂紋

(4）焊后必須打磨余高:焊后余高會(huì)造成局部應(yīng)力集中，很可能造成疲勞裂紋的源，去除焊縫余高的約束，可使變形均勻，不易開(kāi)裂，有余高的設(shè)備比打磨后沒(méi)有余高的設(shè)備壽命短2.0～2.5 倍，所以必須做到與塔壁齊平。打磨范圍：焊縫兩側(cè)25～50mm 范圍，表面平滑。

（5）熱處理經(jīng)驗(yàn):焦炭塔保溫為披掛式保溫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括內(nèi)背帶，保溫層，補(bǔ)強(qiáng)層，整形層，防水層，外背帶，外觀層，本次修復(fù)過(guò)程利用焦炭塔舊有外層保溫進(jìn)行焊縫局部熱處理, 現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊時(shí)采用常規(guī)的火焰加熱方式進(jìn)行預(yù)熱，不能完全滿足施工工藝要求，造成焊接接頭質(zhì)量無(wú)法保證，必須采用電加熱。

焦炭塔修復(fù)焊接過(guò)程中，采用履帶磁力吸附式電加熱片進(jìn)行預(yù)熱，便于返修過(guò)程中加熱片的布置、移位及裝拆工作。通過(guò)熱電偶進(jìn)行電腦溫度加熱控制，并保證每個(gè)筒體環(huán)縫至少設(shè)置2 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，補(bǔ)償導(dǎo)線采用K 形雙芯線，熱電偶型號(hào)均選用鎳鉻－鎳硅K 型，達(dá)到預(yù)熱溫度要求后進(jìn)行焊接。焊接過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，并配備專職焊接檢查員檢查和記錄。

5 結(jié)論

（1）修復(fù)前需制定好修復(fù)前消氫處理施工工藝，消氫處理后對(duì)焊道及兩側(cè)各200mm 范圍內(nèi)進(jìn)行滲透檢測(cè)，淺表裂紋及時(shí)處理，焊道及其周圍不得存在裂紋、氣孔等任何缺陷，是修復(fù)工作的前提和基礎(chǔ)。

（2）焦炭塔的修復(fù)，焊接時(shí)結(jié)構(gòu)受限和焊接操作工人經(jīng)驗(yàn)等原因，易產(chǎn)生缺陷，一旦出現(xiàn)缺陷，返修較為困難，清除缺陷時(shí)極易對(duì)原來(lái)母材造成損傷，增加了焊接量，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，必須確保一次焊接合格。焊接時(shí)，要逐道檢查，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)清除，避免造成大范圍的缺陷和返修。

（3）從最終設(shè)備情況看，通過(guò)前期周密的工藝安排，過(guò)程嚴(yán)格控制，最終圓滿完成焦炭塔B7/ B8 環(huán)縫的局部熱處理，采用局部熱處理的方式是可行的，配合合理的熱處理工藝，熱處理質(zhì)量可控。

（4）通過(guò)材料焊接性分析及參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)試驗(yàn)論證，制定合理可行的焊接工藝，成功修復(fù)了14Cr1MoR 焦炭塔，無(wú)損檢測(cè)結(jié)果和硬度指標(biāo)均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為同行在遇到類似問(wèn)題時(shí)提供參考。