脫瀝青油與溶劑換熱器裂紋檢測(cè)及處理*

彭國(guó)平，張曙東，李萬立，李洪剛

(廣州特種承壓設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510663)

溶劑脫瀝青裝置是以減壓渣油為原料，在一定溫度和壓力下，利用丁烷或戊烷液體溶劑對(duì)減壓渣油中的油組份具有較大的溶解度，而對(duì)膠質(zhì)、瀝青質(zhì)幾乎不具有溶解性的特性，在抽提器內(nèi)進(jìn)行萃取，使其分為抽提溶液相和瀝青溶液相，因其兩相存在密度差，比重小的抽提溶液相逐漸上升到抽提器頂部成為提取溶液，比重大的瀝青溶液相沉至底部，抽提溶液從抽提器頂出來經(jīng)升溫溶劑選擇性提高，使膠質(zhì)在沉降器中沉降下來，這樣就將渣油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)脫除，獲得脫瀝青油溶液；利用溶劑隨溫度升高而對(duì)油組份溶解能力減弱的特性，在壓力不很高而溫度較高的超臨界狀態(tài)下，溶劑失去對(duì)油組份的溶解能力的規(guī)律，使溶劑與抽出油分層得以分離，實(shí)現(xiàn)溶劑的超臨界回收，循環(huán)使用[1-2]。本裝置利用脫瀝青油與溶劑換熱器把高溫分離的溶劑與脫瀝青溶液進(jìn)行熱交換，降低溶液溫度，提高脫瀝青油溶液的溫度，從換熱器出來的脫瀝青油溶液經(jīng)加熱爐進(jìn)一步加熱升溫后，達(dá)到溶劑與脫瀝青油分離的目的，高溫溶劑進(jìn)入該換熱器進(jìn)行熱量交換，降低溫度后進(jìn)一步冷卻成為液態(tài)進(jìn)入抽提器萃取減壓渣油中的脫瀝青油，達(dá)到循環(huán)利用的作用。

某石油化工公司脫瀝青與溶劑換熱器在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行開罐抽芯定期檢驗(yàn)；無損檢測(cè)采用磁粉對(duì)表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，埋藏缺陷采用超聲檢測(cè)為主，磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)殼體長(zhǎng)頸法蘭上存在大量裂紋缺陷，為了擴(kuò)大缺陷檢出率，增加了TOFD檢測(cè)方法，應(yīng)用金相對(duì)缺陷進(jìn)行分析查找裂紋產(chǎn)生原因，采用聲發(fā)射技術(shù)來門判斷裂紋缺陷的活性程度，最后經(jīng)有資質(zhì)單位進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)行監(jiān)督運(yùn)行措施，確保設(shè)備安全生產(chǎn)運(yùn)行。本文以設(shè)備編號(hào)為E-102/D1的脫瀝青與溶劑換熱器為例進(jìn)行陳述。

1 資料審查

表1 E-102/D1脫瀝青油與溶劑換熱器出廠資料Table 1 E-102/D 1 deasphalting oil and solvent heat exchanger factory information

該公司委托本院對(duì)其溶劑脫瀝青裝置54臺(tái)壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)，12臺(tái)脫瀝青與溶劑換熱器每3臺(tái)串聯(lián)后再并聯(lián)在一起使用設(shè)備參數(shù)如表一所示，換熱器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。查閱容器竣工資料，發(fā)現(xiàn)16Mn法蘭鍛件供貨狀態(tài)為空，且未見熱處理報(bào)告，筒體鋼板為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，而其他出廠資料齊全；查找上次定期檢驗(yàn)報(bào)告，其中殼體與長(zhǎng)頸法蘭對(duì)接環(huán)焊縫B3超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2處缺陷，長(zhǎng)度分別為150 mm、180 mm、深度35～39 mm、自身高度4 mm、波幅高度均在Ⅲ區(qū)的超標(biāo)埋藏缺陷。

圖1 E-102/D1脫瀝青油與溶劑換熱器結(jié)構(gòu)及排版圖Fig.1 E-102/D 1 deasphalting oil and solvent heat exchanger structure and layout

2 檢驗(yàn)檢測(cè)情況

根據(jù)設(shè)備使用年限、損傷模式和失效機(jī)理編制檢驗(yàn)方案，以宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、無損檢測(cè)、硬度測(cè)試、耐壓試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)等作為主要檢驗(yàn)檢測(cè)方法。表面缺陷檢測(cè)采用磁粉檢測(cè)、內(nèi)部缺陷采用超聲檢測(cè)，對(duì)上次發(fā)現(xiàn)缺陷位置增加TOFD檢測(cè)。設(shè)備部分拆除保溫層，外表面和內(nèi)部宏觀檢查、壁厚測(cè)定、硬度測(cè)定等檢驗(yàn)項(xiàng)目未發(fā)現(xiàn)異常。

2.1 磁粉檢測(cè)

脫瀝青油與溶劑換熱器主體材料為16MnR，表面檢測(cè)優(yōu)先選用磁粉檢測(cè)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)使用反差劑有利于缺陷顯示，采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)連續(xù)法檢測(cè)，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)殼體長(zhǎng)頸法蘭上2個(gè)位置存在許多裂紋，從B3環(huán)焊縫熔合線至長(zhǎng)頸法蘭100 mm母材范圍，1位置在距A2焊縫以下0.8～1.6 m位置(同金相1位置)，2#位置在距A2焊縫以下2.2～2.6 m位置(同金相2位置)，裂紋沿B3環(huán)焊縫方向分布，長(zhǎng)短不一，最大長(zhǎng)度23 mm，裂紋中部成鋸齒狀，兩頭尖、中間粗，裂紋如圖3和圖4所示。對(duì)其中1處幾條裂紋缺陷位置進(jìn)行打磨，打磨過程中發(fā)現(xiàn)：表面裂紋較細(xì)、中間部分較粗、磨深到一定深度后開始變細(xì)、最后裂紋消失，磨深到30 mm后全部去除，如圖5所示。磁粉檢測(cè)擴(kuò)探法蘭外表面對(duì)應(yīng)位置，未發(fā)現(xiàn)外表面缺陷顯示。

圖2 磁粉檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Magnetic particle inspection site map

圖3 1.1 m位置附近裂紋圖Fig.3 Crack pattern near 1.1 m

圖4 1.6 m位置附近裂紋圖Fig.4 Crack pattern near 1.6 m

圖5 裂紋打磨消除示意圖Fig.5 Schematic of crack grinding elimination

2.2 超聲和TOFD檢測(cè)

超聲波檢測(cè)B2、B3、B4、A1、A2焊縫，B3上存在2處評(píng)定為Ⅲ級(jí)的超標(biāo)缺陷，缺陷參數(shù)與上次定檢測(cè)結(jié)果相符，其他焊縫未見超標(biāo)缺陷。

圖6 超聲波檢測(cè)焊縫Fig.6 Ultrasonic inspection of welds

對(duì)B3焊縫進(jìn)行TOFD檢測(cè)，采用一發(fā)一收模式從內(nèi)表面進(jìn)行掃查，其中部分圖譜如圖6所示，圖譜中直通波、底面反射波、變形波明顯，缺陷信號(hào)幅值同直通波和底面反射波相比較非常強(qiáng)烈，存在大量小缺陷組成的條狀，無法分辨缺陷上、下端點(diǎn)信號(hào)，從內(nèi)表面向內(nèi)部沿伸，缺陷覆蓋最大深度約為38 mm，結(jié)合磁粉檢測(cè)結(jié)果，估判缺陷為裂紋；B4焊縫未見超標(biāo)缺陷。

2.3 金相分析

圖7 E-102/D1殼體金相分析位置Fig.7 E-102/D 1 shell metallographic analysis location

圖8 部位1環(huán)焊縫 (200×)Fig.8 Part 1 girth weld 200×

圖9 部位1筒體母材(100×)Fig.9 Part 1 tube base material 100×

圖10 部位1法蘭熔合線(200×)Fig.10 Part 1 flange fusion line 200×

圖11 部位2法蘭熔合線(100×)Fig.11 Part 2 flange fusion line 100 ×

圖12 部位2法蘭母材(100×)Fig.12 Part 2 flange base material 100 ×

對(duì)磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)2處較長(zhǎng)裂紋位置如圖7所示進(jìn)行金相分析，1位置處焊縫組織為魏氏組織鐵素體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體(圖8)；筒體母材組織為索氏體(圖9)；法蘭側(cè)熱影響區(qū)組織為索氏體+貝氏體，熔合線處可見平行于環(huán)焊縫的斷續(xù)穿晶裂紋(圖10)。2位置熔合線及距熔合線約5cm處法蘭母材組織為索氏體+貝氏體，屬調(diào)質(zhì)態(tài)金相組織，見平行于環(huán)焊縫的斷續(xù)穿晶裂紋(圖11、圖12)。

2.4 聲發(fā)射檢測(cè)

按照加載程序?qū)Q熱器殼體進(jìn)行加載，同時(shí)采集數(shù)據(jù)。壓力≤5.12 MPa定位源事件零星出現(xiàn)；5.12～7.61 MPa一次升壓及7.61 MPa保壓過程，定位源如圖14和圖16所示，事件隨著升壓和保壓連續(xù)增加，定位源幅度最大為89 dB；第二次升壓和保壓過程，定位源如圖15和圖17所示，事件數(shù)間斷增加，幅度最高為80 dB。從兩次升壓和保壓定位源圖可知，定位源主要集中在5#和6#及6#和7#傳感器間，位置能完全重合，且能與磁粉發(fā)現(xiàn)2處表面裂紋位置一一對(duì)應(yīng)。第二次加壓、保壓過程中信號(hào)比第一次少、且幅值有所降低，符合凱賽爾效應(yīng)原理。

根據(jù)NB/T47013.9標(biāo)準(zhǔn)對(duì)聲發(fā)射定位源進(jìn)行分析，定位源具有強(qiáng)活性和高強(qiáng)度，綜合評(píng)定為Ⅳ。

圖13 加載程序圖Fig.13 Load the program diagram

圖14 第一次升壓定位源圖Fig.14 First boost source diagram

圖15 第二次升壓定位源圖Fig.15 Second boost source diagram

圖16 第一次保壓定位源圖Fig.16 First press-hold source diagram

圖17 第二次保壓定位源圖Fig.17 Second press-hold source diagram

3 缺陷產(chǎn)生原因分析

筒體母材組織為索氏體，符合鋼板調(diào)質(zhì)供貨狀態(tài)。法蘭母材組織為索氏體+貝氏體，屬調(diào)質(zhì)態(tài)金相組織；容器竣工資料提供法蘭鍛件供貨狀態(tài)為空，且未見熱處理報(bào)告，推測(cè)法蘭在鍛造完成后快速冷卻，相當(dāng)于淬火，容器制造完成后進(jìn)行(620±20)℃整體去應(yīng)力退火熱處理，相當(dāng)于淬火后的高溫回火處理，得到的組織為回火索氏體[3]，與法蘭調(diào)質(zhì)組織相符合。焊縫組織魏氏組織，是由于焊接過程中熱量過高，過熱區(qū)內(nèi)由于奧氏體晶粒長(zhǎng)得非常粗大，焊接完成后，因容器壁厚較大導(dǎo)致冷卻速度過快，形成的一種特殊的過熱組織[4]。

溶劑脫瀝青裝置設(shè)計(jì)原料硫含量指標(biāo)≤1.62%，而該公司實(shí)際由蒸餾三裝置送入溶劑脫瀝青裝置的原料硫含量長(zhǎng)期在4.5%～5.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過裝置硫含量的設(shè)計(jì)值。該換熱器設(shè)備殼/管程操作壓力為5.12/6.43 MPa，操作溫度為241/148 ℃，殼程存在硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂傾向，高溫物料中硫化物熱分解生成硫化氫，進(jìn)入輕組分戊烷溶劑中，在硫化氫濃度、溫度、溶液pH值共同作用下導(dǎo)致硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂[5]。

宏觀發(fā)現(xiàn)裂紋走向平行于環(huán)焊縫，呈斷續(xù)狀，斷口不光亮，呈氧化色，圖10～圖12金相分析可見裂紋屬于穿晶和沿晶混合型，是由于鍛造完成后冷卻速度過大加上法蘭構(gòu)件截面突變等原因而引起的混合型裂紋[6]。經(jīng)與設(shè)備主管及操作人員溝通得知，該換熱器上次大修時(shí)發(fā)現(xiàn)少量表面微裂紋，裂紋都很小，由于連續(xù)生產(chǎn)的需要，未作處理，本次檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的表面裂紋數(shù)量明顯增多，且長(zhǎng)度更大。

承壓設(shè)備當(dāng)受內(nèi)壓作用時(shí)，軸向應(yīng)力是切向應(yīng)力的一半[4]，使用過程中產(chǎn)生的裂紋走向與環(huán)焊縫平行；制造過程中存在內(nèi)部缺陷，使用時(shí)介質(zhì)中硫化氫含量超標(biāo)引起的應(yīng)力腐蝕開裂，加上設(shè)備運(yùn)行時(shí)工作溫度和工作壓力較高、使用時(shí)間長(zhǎng)，在多重因素共同作用下，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。裂紋缺陷從內(nèi)部向表面擴(kuò)展，聲發(fā)射檢測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了裂紋缺陷強(qiáng)活性等特征。

4 缺陷處理

分析裂紋缺陷為制造缺陷，加上硫化氫應(yīng)力腐蝕等多因素共同作用，導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展。消除魏氏過熱組織最好的辦法是進(jìn)行正火熱處理。解決硫化氫應(yīng)力腐蝕應(yīng)從源頭控制硫含量，增加設(shè)備除硫。根據(jù)大修按排檢驗(yàn)完成后立即恢復(fù)生產(chǎn)，無法對(duì)發(fā)現(xiàn)的全部缺陷進(jìn)行返修處理，僅對(duì)打磨裂紋缺陷進(jìn)行消除、補(bǔ)焊、檢測(cè)和熱處理。用戶委托某研究機(jī)構(gòu)對(duì)含缺陷設(shè)備進(jìn)行合于使用評(píng)價(jià)，經(jīng)計(jì)算評(píng)定超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷滿足合于使用評(píng)價(jià)，磁粉檢測(cè)表面裂紋及TOFD檢測(cè)缺陷，結(jié)合容器設(shè)計(jì)、制造和實(shí)際運(yùn)行情況，評(píng)價(jià)單位判斷法蘭鍛件裂紋和TOFD檢測(cè)埋藏超標(biāo)缺陷是設(shè)備制造時(shí)產(chǎn)生的，隨著使用時(shí)間和高溫環(huán)境及介質(zhì)的多重作用，缺陷不斷擴(kuò)大增長(zhǎng)。評(píng)價(jià)單位認(rèn)定該容器安全狀況等級(jí)定為4級(jí)，繼續(xù)在設(shè)計(jì)規(guī)定的允許運(yùn)行參數(shù)下監(jiān)控使用。