高壓加氫反應器檢驗及缺陷修復

郭保國 姬輝

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016）

高壓加氫反應器檢驗及缺陷修復

郭保國 姬輝

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南鄭州 450016）

由于高壓加氫反應器處在高溫、高壓、臨氫及易燃易爆介質(zhì)的運行環(huán)境中，為確保高壓加氫反應器安全、穩(wěn)定的長期運行，其檢驗工作就顯得尤為緊迫和重要。本文針對某BDO裝置的高壓加氫反應器在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的沿筒體環(huán)焊縫出現(xiàn)的外表面裂紋，分析其形成原因及修復方法。

BDO裝置；高壓加氫反應器；檢驗；再熱裂紋；補焊

高壓加氫反應器處在高溫、高壓、臨氫及易燃易爆介質(zhì)的運行環(huán)境，為確保高壓加氫反應器安全、穩(wěn)定的長期運行，其檢驗工作就顯得尤為緊迫和重要［1，2］。本文針對某BDO裝置的高壓加氫反應器在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的缺陷，分析其形成原因及修復方法，為國內(nèi)外同類設備的檢驗及安全使用提供參考。

1 檢驗情況

2016年河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院檢驗人員對某精細化工廠BDO裝置所屬特種設備進行了定期檢驗工作。在檢驗過程中，通過磁粉檢測發(fā)現(xiàn)該裝置高壓加氫反應器存在多條沿筒體環(huán)焊縫的外表面裂紋，裂紋宏觀形貌如圖1所示。

圖1 高壓加氫反應器裂紋宏觀形貌

1.1 設備概述

該高壓加氫反應器于2011年9月投入使用。設備為單層鍛焊立式結(jié)構(gòu)，其使用壓力18.9MPa；使用溫度152℃；筒體材質(zhì)為14Cr1MoⅣ，厚度為82mm；堆焊層為347L不銹鋼，厚度為6mm。設備詳細參數(shù)見表1。

表1 高壓加氫反應器設備參數(shù)

1.2 檢驗方法

依據(jù)《壓力容器定期檢驗規(guī)則》對該高壓加氫反應器分別進行了宏觀、測厚、超聲波、磁粉及滲透等檢測。其中，超聲波檢測采用CTS-9008型超聲檢測儀，探頭型號2.5P13×13K1/K2，評定靈敏度φ2×40-14dB，依據(jù)NB/T47013.3-2015對筒體外表面焊縫進行單面雙側(cè)掃查；磁粉檢測采用CJE-220型便攜磁軛式磁粉檢測儀，磁粉類型為非熒光磁粉，靈敏度試片為A1-30/100，依據(jù)NB/T47013.4-2015對筒體外表面焊縫進行檢測。

在磁粉檢測過程中發(fā)現(xiàn)第二筒節(jié)和第三筒節(jié)連接環(huán)焊縫處存在多條裂紋，裂紋最長1 124mm，裂紋的走向大體沿環(huán)焊縫熔合線方向，裂紋宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)RMG4015型裂紋測深儀檢測，發(fā)現(xiàn)該裂紋深度為15mm，確定裂紋為非貫穿型外表面裂紋，建議打磨消除并補焊。

2 裂紋修復方法

對于產(chǎn)生表面裂紋損傷的加氫反應器，需要打磨消除，當打磨深度超過允許范圍后，對打磨部位應進行補焊。本文中的加氫反應器筒節(jié)壁厚達到82mm，在補焊時，如果補焊工藝不當，焊縫與母材之間的熱容差會導致焊縫金屬快速冷卻，此時熔合線附近會存在較大的殘余拉應力，并且出現(xiàn)對裂紋敏感的脆硬組織，導致在補焊位置可能發(fā)生開裂。因此，應嚴格控制預熱、層間溫度、焊接規(guī)范、PWHT等補焊工藝。

焊前對坡口及坡口外側(cè)246mm范圍內(nèi)采用電加熱帶進行預熱，預熱溫度200℃，焊接采用手工焊，焊條選用φ3.2的R307，焊接熱輸入量控制在24.9kJ/cm，層間溫度控制在200～300℃。焊后對焊縫及周邊位置進行350℃左右的后熱處理，保溫時間1.5h。隨后對該環(huán)焊縫采用電加熱帶進行670℃焊后熱處理，根據(jù)設備壁厚確定保溫時間為3h。焊后48h，對補焊位置進行磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)表面缺陷。

圖2為補焊位置經(jīng)焊后熱處理的布氏硬度。由圖2可以看出，母材硬度平均為164HB，補焊焊縫平均186HB，補焊熱影響區(qū)平均189HB，筒節(jié)原始環(huán)焊縫平均171HB，由此可認為采用該裂紋修復工藝，補焊部位未出現(xiàn)二次開裂，且根據(jù)不同部位硬度值，認為其焊接殘余內(nèi)應力也相對較低，能夠保證設備的安全使用要求。

圖2 補焊位置經(jīng)焊后熱處理的布氏硬度

3 分析及討論

加氫反應器在高溫、高壓、臨氫及硫和硫化氫介質(zhì)條件下使用，易出現(xiàn)氫腐蝕、氫脆、高溫高壓硫化氫腐蝕、硫化物應力腐蝕開裂、Cr-Mo鋼的回火脆性破壞等損傷情況。因此，目前加氫反應器多采用Cr-Mo鋼內(nèi)層堆焊不銹鋼的結(jié)構(gòu)。Cr-Mo鋼確保鋼的高溫強度及熱穩(wěn)定性，不銹鋼襯里減少內(nèi)部介質(zhì)對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞。

本文中的高壓加氫反應器材質(zhì)為14Cr1MoⅣ厚壁鍛鋼，14Cr1MoⅣ鋼不僅具有高強度，較好的韌性和彎曲性能，還具有較高的抗氫性能，綜合性能優(yōu)異［3］，是世界各國普遍使用的熱強鋼和抗氫用鋼，被廣泛用于制造火電設備、核電設備及與氫相接觸的石油、化工、煤轉(zhuǎn)化設備等大型裝置［4］。

14 Cr1MoⅣ鋼化學成分中含有1wt.%的Cr及0.25wt.%的Mo（其具體化學成分見表2）。加入鉻、鉬、釩等合金元素能夠產(chǎn)生固溶強化作用，并在高溫使用工況條件下，形成對應的碳化物、氮化物及碳氮化物等共格析出物，確保鋼的高溫強度和熱穩(wěn)定性，使得14Cr1MoⅣ鋼具有良好的機械性能、抗氫脆及抗腐蝕等能力，但這些合金元素及部分雜質(zhì)元素在一定的條件下有可能導致14Cr1MoⅣ鋼制壓力容器產(chǎn)生再熱裂紋缺陷。

表2 14Cr1MoⅣ鋼化學成分（wt.%）

加氫反應器尤其是高壓加氫反應器，由于工況條件的需要，其鉻鉬鋼外壁的厚度較大，材料的裂紋敏感性較強，對制造要求嚴格。尤其是筒節(jié)的對接環(huán)焊縫焊接，相對其他位置，該位置的拘束應力較大。焊后在熔合線附近會存在較大的殘余拉應力。為消除殘余應力，高壓加氫反應器環(huán)焊縫需要進行焊后消除應力處理，對于含有沉淀強化元素的14Cr1MoⅣ鋼，在焊后可能未出現(xiàn)裂紋，而在熱處理過程中或高溫服役后可能會產(chǎn)生再熱裂紋缺陷。

4 結(jié)論

在檢驗過程中，通過磁粉檢測發(fā)現(xiàn)該裝置高壓加氫反應器存在多條沿筒體環(huán)焊縫的外表面裂紋，認為該缺陷是由于Cr元素沿焊縫熔合線附近組織晶間析出形成的合金碳化物及其他夾雜元素在晶界的偏聚，導致晶界弱化，在焊后熱處理過程中形成的再熱裂紋，該裂紋在高溫使用過程中逐步擴展，最終形成如圖1所示形貌。

對該缺陷，打磨消除后進行補焊，焊前對坡口及坡口外側(cè)一定范圍內(nèi)進行200℃預熱，焊接熱輸入量控制在24.9kJ/cm以內(nèi)，層間溫度控制在200～300℃。焊后對該環(huán)焊進行670℃焊后熱處理。采用該工藝進行補焊能夠滿足性能要求，并未發(fā)現(xiàn)新生缺陷。

［1］張穎，尚爾晶，谷文.2.25Cr-1Mo和2.25Cr-1Mo-0.25V鋼加氫反應器材料和制造經(jīng)驗［J］.壓力容器，2014（12）：73-78，22.

［2］徐彬.高壓加氫反應器外壁裂紋分析及修復措施［J］.石油化工腐蝕與防護，2012（5）：35-39.

［3］邵光輝，王立躍，劉智勇.壓力容器14Cr1MoR封頭熱處理工藝及性能試驗研究［J］.化工機械，2014（3）：304-306．

［4］楊海林，楊秀芹.熱處理工藝對14Cr1MoR鋼的組織和性能的影響［J］.金屬熱處理，2003（11）：35-38.

Inspection and Defect Repairs of High Pressure Hydrogenation Reactor

Guo BaoguoJi Hui

（The Boiler&Pressure Vessel Safety Inspection Institute of Henan Province，Zhengzhou Henan 450016）

Because the high pressure hydrogenation reactor is in the operating environment of high temperature,high pressure,hydrogen and flammable and explosive medium,in order to ensure the safe and stable operation of high pressure hydrogenation reactor for a long time,the inspection work is particularly urgent and important.This paper analyzed the causes and repair method of high pressure hydrogenation reactor external surface cracks which along the barrel girth weld in a BDO device.

BDO unit；high pressure hydrogenation reactor；inspection；reheat crack；repairing welding

TE966

A

1003-5168（2017）02-0051-02

2017-01-23

郭保國（1966-），男，本科，高級工程師，研究方向：承壓特種設備檢驗及風險控制。