2.25Cr-1Mo-0.25V大型厚壁鍛焊加氫反應(yīng)器制造階段典型質(zhì)量問題解析

張子平，吳曉俁，王常青，范廣森

(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

加氫反應(yīng)器是煉油裝置的核心反應(yīng)設(shè)備。該設(shè)備主要用于石油煉制、加氫精制以及催化重整等工藝過程。近年來，隨著我國石油深加工技術(shù)的提高以及煉油裝置的大型化，加氫反應(yīng)器的設(shè)計溫度、設(shè)計壓力和規(guī)格尺寸都在逐步增大。

我國從20世紀70年代末開始研究加氫反應(yīng)器制造技術(shù)，2002年，由中國一重成功制造出首臺國產(chǎn)化2.25Cr-1Mo-0.25V鍛焊加氫反應(yīng)器。經(jīng)過近20年的發(fā)展更新，我國在鍛焊加氫反應(yīng)器的鍛造、熱處理、焊接等各方面的技術(shù)儲備已相當成熟【1】。 本文通過對近5年來國內(nèi)企業(yè)制造的數(shù)十臺鍛焊加氫反應(yīng)器的全過程質(zhì)量跟蹤，對制造過程的典型問題和質(zhì)量風險進行解析，為后續(xù)的鍛焊加氫反應(yīng)器制造過程中質(zhì)量風險的預(yù)防提供參考。

1 鍛焊加氫反應(yīng)器的制造

1.1 主體結(jié)構(gòu)

鍛焊加氫反應(yīng)器為Ⅲ類立式反應(yīng)容器，殼體主要由頂部彎管組件、上球形封頭、上過渡環(huán)、筒體(帶支撐凸臺)、下過渡段、下球形封頭、底部彎管組件、接管法蘭、裙座過渡段及裙座等組焊而成，其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)標準

該設(shè)備主體材質(zhì)為2.25Cr-1Mo-0.25V堆焊E309L+E347，遵循的技術(shù)規(guī)范為TSG21—2016，所執(zhí)行標準包括JB 4732—1995(2005年確認版)、API 934—2019、NB/T 47008—2017、NB/T 47013—2015及設(shè)計院技術(shù)條件等。

1.3 制造工序簡述

鍛焊加氫反應(yīng)器的制造過程從原材料煉鋼開始，經(jīng)歷鍛造、熱處理、機加工、堆焊、組焊到最終焊后熱處理(PWHT)、耐壓試驗、油漆包裝發(fā)運等過程，主要工序節(jié)點如圖2所示。

圖2 鍛焊加氫反應(yīng)器制造流程

2 制造階段常見的質(zhì)量問題

根據(jù)筆者近5年跟蹤的國內(nèi)加氫反應(yīng)器制造過程中出現(xiàn)的問題，針對質(zhì)量管理方面需重點監(jiān)控的質(zhì)量問題進行梳理，并對其問題出現(xiàn)的原因進行了分析，內(nèi)容如下。

2.1 筒體鍛件沖擊性能不穩(wěn)定

2.1.1 問題描述

統(tǒng)計近年來10個大型煉化項目中共計70臺鍛焊加氫反應(yīng)器的逾600件筒體鍛件發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)沖擊試驗一次不合格的共計37件，其中25件復(fù)試合格，11件重新熱處理后沖擊試驗合格，1件報廢處理。以其中某一煉化項目為例，對沖擊問題進行分析。國內(nèi)鍛焊加氫反應(yīng)器技術(shù)條件關(guān)于-30 ℃沖擊試驗的規(guī)定見表1，本文所論述的加氫反應(yīng)器鍛件沖擊試驗按表1中的規(guī)定一執(zhí)行。該項目中共計使用筒節(jié)鍛件40件，其中需進行沖擊復(fù)試的筒節(jié)鍛件5件。經(jīng)復(fù)試后，5件鍛件沖擊性能全部合格，具體沖擊吸收能量值數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 國內(nèi)鍛焊加氫反應(yīng)器技術(shù)條件關(guān)于-30 ℃沖擊試驗的規(guī)定

表2 復(fù)試鍛件沖擊吸收能量值統(tǒng)計

2.1.2 問題分析

1) 沖擊試件分析

通過表2的數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，大部分沖擊吸收能量呈現(xiàn)的是兩高一低的狀態(tài)，為此，基本可以排除由于熱處理不當導致的沖擊指標不合格(如果是熱處理造成的不合格，3個試件的沖擊吸收能量數(shù)值應(yīng)基本趨于一致)。在上述沖擊試驗試件中抽取序號1和序號2兩個沖擊不合格試件進行顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物測試以及電鏡斷口觀察。顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物測試結(jié)果見表3，金相及電鏡斷口照片見圖3～圖5。

由表3及圖3～圖4可知，兩組沖擊試件的組織均為典型的回火貝氏體組織，晶粒度較細，且分布較均勻，符合技術(shù)條件的要求。在夾雜物方面，兩組沖擊試件的D類粗夾雜物(簡稱D粗)均為2.0級，D類細夾雜物(簡稱D細)分別為1.0級和2.0級，而試件2的DS類夾雜物(簡稱DS)為2.5級，超出技術(shù)協(xié)議中關(guān)于“鍛件中A類、B類、C類、D類夾雜物粗、細系列分別不得大于1.5級，且A、B、C、D類夾雜物粗、細系列總和分別不超過4.0級，DS類夾雜物不得大于1.5級”的規(guī)定。

圖3 試件(序號1)組織及晶粒度照片

圖4 試件(序號2)組織及晶粒度照片

表3 金相試驗結(jié)果

由圖5可知，在兩試件裂紋源區(qū)附近均有大量夾雜物出現(xiàn)。經(jīng)過對該夾雜物進行電鏡能譜掃描，確定缺陷為含Ca、Mg、Al為主的氧化物，如圖6所示。

圖5 沖擊試件斷口

圖6 裂紋源區(qū)附近夾雜物能譜

2) 問題溯源分析

根據(jù)上述沖擊試件斷口分析結(jié)果可知，導致沖擊性能不穩(wěn)定的主要因素是在試件裂紋源區(qū)附近存在大量夾雜物。初步判斷導致存在大量夾雜物的工序為煉鋼工序。鋼錠冶煉澆注流程如圖7所示。

圖7 鋼錠冶煉澆注流程

煉鋼工序可細分為冶煉和澆注兩個階段。對上述試件鋼錠的化學成分進行分析，結(jié)果見表4。由表4可見，兩鍛件的化學成分均滿足技術(shù)條件要求，P、S、H、O、N等有害元素控制得較好，說明脫S、脫P、脫O、脫氣效果良好，可排除冶煉環(huán)節(jié)問題，因此判斷問題應(yīng)出現(xiàn)在澆注環(huán)節(jié)。

表4 鍛件有害元素成分

澆注作為煉鋼的最后環(huán)節(jié)，可能導致夾雜物出現(xiàn)的原因分析如下：

a) 由于材料的固有特性，澆注過程中易產(chǎn)生二次氧化，少量二次氧化物隨鋼水流入錠模，最終留在凝固后的鋼錠中，形成Al2O3或復(fù)合類夾雜物。

b) 鍛件采用的鋼錠錠型較大，鋼錠澆注終點控制難度大，當中間包內(nèi)富余鋼水較少時，可能有少量中間包浮渣進入鋼錠模中，形成夾雜物。

2.1.3 處理措施

通過上述原因分析可知，導致本文所論述的沖擊性能不穩(wěn)定的主要因素是鋼錠中存在夾雜物(除本文案例之外還有可能出現(xiàn)由于熱處理原因?qū)е碌那闆r，本文暫且不做討論)。為此，建議在煉鋼和鍛造環(huán)節(jié)重點加強以下幾個方面的質(zhì)量控制：

a) 強化冶煉環(huán)節(jié)的質(zhì)量，嚴格確保鋼水的純凈度滿足要求。

b) 加強中間包兌鋼前的氬氣置換和兌鋼過程中的氬氣保護，確保在澆注過程中能有效防止二次氧化。

c) 嚴格控制鋼水量，掌控好澆注終點，防止中間包浮渣進入鋼錠模內(nèi)。

d) 在鍛造過程中，盡可能去除沉積堆對鍛件質(zhì)量的影響。通?？刹扇∪缦麓胧?，一是控制水口切除量，二是大直徑?jīng)_孔，三是強化鍛透壓實效果。

2.2 筒節(jié)鍛件的超聲檢測缺陷

2.2.1 筒節(jié)鍛件的超聲波檢測缺陷的問題描述

加氫反應(yīng)器的筒節(jié)鍛件制造過程中要進行100%直探頭和斜探頭超聲檢測，超聲檢測一般依據(jù)NB/T 47013和國內(nèi)設(shè)計院的技術(shù)條件執(zhí)行。本文重點針對直探頭超聲檢測進行論述。直探頭檢測具體要求摘錄如表5所示。

表5 筒節(jié)鍛件縱波超聲波檢測要求

筒體這些超聲檢測缺陷多集中在水口端，也是性能的取樣端。其中大多數(shù)缺陷可以通過加工去除，但對于部分已經(jīng)進入筒節(jié)本體的缺陷，通常以調(diào)節(jié)筒節(jié)長度的方式加工去除，以保證設(shè)備的整體尺寸和質(zhì)量。這不僅對項目的整體生產(chǎn)進度造成了一定影響，也存在一定的質(zhì)量風險。

2.2.2 原因分析

1) 缺陷性質(zhì)分析

經(jīng)過對筒節(jié)鍛件進行解剖和無損檢測，并對缺陷進行能譜分析后，可確定缺陷為非金屬夾雜物，主要成分為Al2O3，并有少量CaO、MgO。缺陷由小顆粒團簇聚集而成，顆粒當量粒徑約為50 μm，根據(jù)能譜分析結(jié)果判定為與CaO·2Al2O3(CA2)和CaO·6Al2O3(CA6)的混合物。此外，還存在個別約200 μm的較大顆粒，從形態(tài)判斷為Al2O3顆粒，也可能是以Al2O3顆粒為核心的復(fù)合夾雜物。單個顆粒的當量粒徑以及其團簇聚集的分布形態(tài)顯示，其符合Al脫氧產(chǎn)物的特點，屬于內(nèi)生夾雜物。無損檢測缺陷的解剖分析結(jié)果如圖8 所示。

圖8 無損檢測缺陷的解剖分析結(jié)果

2) 缺陷位置分析

依據(jù)鋼錠凝固特性，在鋼錠不同區(qū)域會形成不同的組織，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見圖9。在凝固溫度下，鋼錠上部先結(jié)晶的純晶體密度大，只要長大到一定程度，就會在重力的作用下，下降沉積在鋼錠的底部，同時，鋼液的運動使得柱狀晶的前沿沖斷下落，也會堆積在鋼錠的底部，在鋼錠的下部形成以細小的等軸晶為主并含有一定硅酸鹽夾雜物的沉積堆。故而導致無損檢測時，缺陷位置通常出現(xiàn)在鋼錠水口端，這也是鍛件理化性能檢測的取樣端(取試端)。

圖9 鋼錠凝固結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 筒體鍛件超聲波檢測缺陷的處理措施

由上述分析結(jié)果可知，導致筒節(jié)鍛件超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的原因是筒節(jié)端部存在夾雜物。其與導致沖擊性能波動的缺陷是一致的，故可采用的質(zhì)量控制措施也相同，在此不再贅述。

2.3 筒節(jié)鍛件直探頭超聲檢測盲區(qū)

2.3.1 筒節(jié)鍛件直探頭超聲波檢測肓區(qū)的問題描述

鍛件的直探頭超聲檢測一般在調(diào)質(zhì)熱處理完成、鍛件表面加工見光后進行。直探頭超聲檢測要求如表5。常規(guī)的保證筒節(jié)鍛件厚度方向滿足100%檢測的工藝方式是在外徑方向保留加工余量，使得超聲檢測盲區(qū)轉(zhuǎn)移到加工余量里，后續(xù)再精加工去除。

近年來，環(huán)軋機和毛坯調(diào)質(zhì)工藝在筒節(jié)鍛件制造方面大量應(yīng)用，因其能夠更好地保證筒節(jié)鍛件的鍛后橢圓度，從而使得預(yù)留的厚度余量越來越小，如仍按原檢測工藝執(zhí)行超聲檢測，則不可避免地會導致筒節(jié)鍛件的超聲檢測盲區(qū)進入到鍛件本體中，無法滿足100%的檢測要求。部分采用環(huán)軋機鍛造、毛坯調(diào)質(zhì)的筒節(jié)鍛件的盲區(qū)深度檢測數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可見，大部分筒節(jié)鍛件在檢測時，均存在盲區(qū)進入鍛件本體的問題。

表6 鍛件筒體超聲檢測盲區(qū)深度檢測數(shù)據(jù)

2.3.2 筒節(jié)鍛件直探頭超聲波檢測盲區(qū)的問題分析

影響超聲波檢測盲區(qū)大小的因素主要有以下幾個方面【2】：

1) 被檢材料晶粒度越大，檢測盲區(qū)越大；

2) 檢測靈敏度越高，檢測盲區(qū)越大；

3) 檢測設(shè)備和探頭的組合性能，如儀器的發(fā)射功率越大，檢測盲區(qū)越大。

2.3.3 筒節(jié)鍛件直探頭超聲波檢測盲區(qū)的處理措施

由上述問題分析可知，在針對加氫反應(yīng)器筒節(jié)鍛件的超聲檢測方面，很多固有因素是無法避免的，同時，采用增加筒節(jié)鍛件厚度的方法來規(guī)避無損檢測的盲區(qū)，也不經(jīng)濟。故對于如何減少超聲檢測盲區(qū)對筒節(jié)鍛件本體的質(zhì)量影響，筆者認為可以考慮從以下幾個方面著手：

1) 工藝方面，在編制無損檢測工藝時，應(yīng)充分考慮鍛件的無損檢測條件，合理編制超聲檢測方案，使得方案更具針對性。

2) 操作方面，建議增加雙晶探頭補探或雙面檢測，以減小超聲檢測盲區(qū)，保證鍛件本體的100%超聲檢測覆蓋率。

3) 工裝方面，增加適當厚度的補償塊，將超聲檢測盲區(qū)外移至補償塊區(qū)域內(nèi)，保證鍛件本體的100%超聲檢測。

2.4 其他應(yīng)控質(zhì)量風險

加氫反應(yīng)器制造過程中，很多部件的制造涉及多工序、多工種作業(yè)，各工序的銜接過程是出現(xiàn)質(zhì)量問題的高危區(qū)，切實保證各工序的高質(zhì)量完成，是有效控制加氫反應(yīng)器質(zhì)量風險的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)實際質(zhì)量管理經(jīng)驗，重點對以下兩個方面進行論述。

2.4.1 試件的標識及轉(zhuǎn)移

鍛件性能試件的標識是區(qū)分試件類別、試件方向、試件位置及試件狀態(tài)的有效且唯一的手段。筆者將加氫反應(yīng)器殼體鍛件試件分為兩類，即筒體鍛件試件和板坯鍛件試件。根據(jù)以往發(fā)現(xiàn)的問題，重點論述板坯鍛件試件的標識質(zhì)量控制，其余不再贅述。

板坯鍛件主要用于加氫反應(yīng)器的封頭制造，目前通常采用筒體制坯、然后分割為兩塊半圓筒體、展平后氣割為圓形鍛板的制造流程，如圖10所示。

根據(jù)工藝要求，板坯鍛件的母材試件取樣位置位于矩形板坯的四角位置，如圖10所示。試件板坯經(jīng)割取、表面加工平整、隨封頭執(zhí)行相應(yīng)的熱處理后，再下料加工，制成相應(yīng)理化試件。

由于鍛件力學性能試件有方向要求(試件軸線垂直于主加工方向)，故在將試件坯從矩形板坯上切取下來之前，不僅要標識材質(zhì)、鍛件號、試件位置，還需明確標記主加工方向(通過專屬符號標記或通過其他標識的位置區(qū)分)。同時，試件板坯還要經(jīng)過一次表面的粗加工，這又涉及到標識的正確轉(zhuǎn)移問題。在此環(huán)節(jié)，極易因為作業(yè)人員的疏忽，導致主加工方向標識轉(zhuǎn)移錯誤。故針對上述問題，建議從以下兩個方面進行質(zhì)量風險的管控：

1) 技術(shù)交底，在生產(chǎn)作業(yè)前，應(yīng)提前對相關(guān)作業(yè)人員進行技術(shù)交底，明確標識含義及重要性；

2) 環(huán)節(jié)檢驗，板坯鍛件試件的標識和轉(zhuǎn)移，應(yīng)作為重要質(zhì)量控制節(jié)點，在《檢驗試驗計劃》中設(shè)置相應(yīng)檢驗點進行重點控制。

2.4.2 凸臺的加工檢驗

凸臺是加氫反應(yīng)器的重要部件，也是加氫反應(yīng)器在役檢驗過程中經(jīng)常出現(xiàn)危害性缺陷的部分，其結(jié)構(gòu)如圖11所示【3】。本文主要針對凸臺加工的質(zhì)量控制進行闡述，其他焊接等方面事宜不再贅述。

圖11 凸臺結(jié)構(gòu)

凸臺的加工檢驗分為4個階段，即：本體堆焊加工完成的尺寸檢驗、過渡層堆焊加工完成的尺寸檢驗、耐蝕層堆焊加工完成的尺寸檢驗及凸臺根部R角補堆后的尺寸檢驗。

對于凸臺表面不銹鋼堆焊層的厚度檢測，由于當前技術(shù)條件下超聲波厚度檢測的誤差性較大，故為有效保證凸臺表面的堆焊層厚度，筆者認為應(yīng)從以下兩個方面加強質(zhì)量管理；

1) 工藝方面。凸臺在各加工工序中，應(yīng)采用同一加工基準點。

2) 檢驗方面。應(yīng)精準記錄凸臺各加工階段的尺寸檢查數(shù)據(jù)，如凸臺定位尺寸、凸臺伸出高度、凸臺厚度、根部R角尺寸及頂部R角尺寸。凸臺在進行后續(xù)加工和檢驗時，應(yīng)以上次的尺寸檢查記錄為依據(jù)，保證堆焊層厚度和凸臺的形位尺寸。

3 結(jié)語

本文中所論述的鍛件沖擊性能、無損檢測、標記移植及凸臺尺寸等四個方面的質(zhì)量控制是保證加氫反應(yīng)器制造質(zhì)量的基本要求。隨著加氫反應(yīng)器制造技術(shù)的發(fā)展提升，在基于分析設(shè)計標準進行設(shè)計的前提下，逐步降低設(shè)計裕量、減小設(shè)計壁厚的輕量化設(shè)計是未來國產(chǎn)化加氫反應(yīng)器的制造趨勢。高質(zhì)量的鍛件材料和不斷創(chuàng)新的鍛造工藝則是設(shè)備安全和有效運行的根本保證。

在當前國內(nèi)成熟的制造工藝和質(zhì)量體系保障下，有效地保證鍛件材料質(zhì)量、凸臺堆焊加工質(zhì)量等并不存在技術(shù)難題，重點在于各部門、各工序間的有效銜接，應(yīng)嚴格控制工藝紀律，優(yōu)化質(zhì)量管理方法，做好質(zhì)量與成本的雙向平衡。