渣油加氫裝置Ⅰ系列第四加氫反應(yīng)器人孔法蘭裂紋修復(fù)工藝分析

■ 孫成武，劉民，王萬祥，史運(yùn)貞，吳偉陽，晏永權(quán)，劉劍鋒，吳霜，柴世成，袁繼軍

掃碼了解更多

加氫反應(yīng)器是石化行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，因承壓較高，介質(zhì)含有H2、H2S等氣體，設(shè)備材料的選用及制造工藝相對(duì)比較特殊。近年來，國內(nèi)雖有過加氫反應(yīng)器法蘭密封面出現(xiàn)裂紋并成功修復(fù)實(shí)例，但2017年4月大連石化公司300×104t/a渣油加氫裝置停檢中發(fā)現(xiàn)的Ⅰ系列第四加氫反應(yīng)器R1804法蘭裂紋的形態(tài)更為嚴(yán)重。本文就大連石化公司300×104t/a渣油加氫裝置法蘭裂紋修復(fù)工藝及其可行性做一分析介紹。

圖1 R1804加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1. 加氫反應(yīng)器基本參數(shù)及裂紋情況

（1）基本參數(shù) 設(shè)備基本尺寸：φ5213mm×23150mm×（347+7.5）mm；主體材質(zhì)：SA-336M-F22V+TP309L+TP347；設(shè)計(jì)壓力：21.05MPa，操作壓力：19.8MPa；設(shè)計(jì)溫度：454℃，操作溫度：418℃；工作介質(zhì)：渣油、H2、H2S。

（2）裂紋情況 該設(shè)備（見圖1）為日本神鋼制造，總重1050t。2008年8月投用后，在歷次的停工檢修定期檢測(cè)和換劑過程中的檢查均未發(fā)現(xiàn)異常。2017年4月，裝置停工檢修期間對(duì)反應(yīng)器各接管法蘭密封面進(jìn)行著色檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器DN750人孔法蘭環(huán)連接面外斜面及底平面存在較大裂紋缺陷（見圖2～圖4），裂紋累計(jì)長約1900mm，占密封面周長的三分之二，裂紋形狀主要為單條和樹枝狀兩種特征。

2. 設(shè)備主體材質(zhì)性能分析

（1）性能特點(diǎn) 主體材質(zhì)由基層SA-336M-F22V（347mm）、過渡層TP309L（3mm）及覆層TP347（4.5mm）組成，材質(zhì)化學(xué)成分如表1所示。 SA-336M-F22V屬于珠光體耐熱鋼，有較好的力學(xué)性能、韌性和耐氫蝕性能。其合金成分Cr的主要作用是提高耐腐蝕性，Cr的氧化物比較致密，不易分解，起到保護(hù)膜作用；Mo是鋼中主要強(qiáng)化元素，Mo優(yōu)先進(jìn)入固溶體使其強(qiáng)化，提高鋼的熱強(qiáng)性；V是強(qiáng)碳化物形成元素，所形成的VC呈彌散分布，V的加入能促進(jìn)Mo全部進(jìn)入固溶體，提高鋼的高溫強(qiáng)度。

TP309L、TP347都是奧氏體不銹鋼，TP309L屬于23-13型奧氏體不銹鋼，與18-8型奧氏體不銹鋼相比，因?yàn)镹i元素含量較高，常常用做異種鋼填充金屬的焊接或復(fù)合鋼的過渡層。

TP347屬于18-8型奧氏體不銹鋼，與TP304和TP321相比，TP347含有穩(wěn)定化元素Nb，Nb與C能形成更加穩(wěn)定的NbC，因此TP347耐晶間腐蝕性能更加優(yōu)越。

（2）焊接性分析 SA-336M-F22V主要合金元素中的Cr、Mo都能顯著提高鋼的淬硬性，當(dāng)焊接拘束度大，冷卻速度快時(shí)，易產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)，因該金屬材料含有合金元素V，在500~700℃敏感溫度區(qū)焊后熱處理或長期高溫工作中，在熱影響區(qū)和熔合線附近的粗晶區(qū)內(nèi)存在再熱裂紋傾向。

預(yù)熱和焊后熱處理是防止珠光體耐熱鋼焊接冷裂紋和再熱裂紋的有效措施。對(duì)SA-336MF22V焊前預(yù)熱及焊后熱處理不僅是為了消除焊接殘余應(yīng)力，更重要的是為了改善接頭組織，降低焊縫硬度，提高接頭的高溫蠕變強(qiáng)度等綜合力學(xué)性能。

表1 主要材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖2 人孔法蘭環(huán)連接面結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 人孔法蘭環(huán)連接面裂紋

圖4 法蘭環(huán)連接面外斜面及底平面裂紋

TP309L、TP347奧氏體不銹鋼焊接性相對(duì)較好，在任何溫度下都不會(huì)發(fā)生相變，對(duì)氫脆不敏感，焊縫金屬也有較好的塑性和韌性。但是TP309L由于含Ni量高，奧氏體穩(wěn)定化大，故有一定的焊接熱裂紋傾向。

3. 人孔法蘭密封槽裂紋修復(fù)工藝及可行性分析

圖5 法蘭消氫溫度控制曲線

總體方案：首先消除裂紋，然后依次進(jìn)行過渡層堆焊、過渡層粗加工和覆層堆焊三個(gè)步驟，最后進(jìn)行密封面精加工，具體工藝如下。

（1）裂紋的消除 第一，消氫處理：消除裂紋前首先對(duì)人孔法蘭進(jìn)行整體消氫處理，其目的就是降低法蘭金屬中氫的含量，提高金屬塑韌性，降低冷裂傾向，防止裂紋在消除中發(fā)生延展，消氫處理溫度控制曲線如圖5所示。

用電加熱帶對(duì)法蘭整體包扎加熱，為防止出現(xiàn)加熱不均勻情況，需要對(duì)法蘭內(nèi)孔壁、外側(cè)壁面及法蘭盤密封面同時(shí)加熱。

第二，裂紋消除：消氫處理后采用動(dòng)力頭現(xiàn)場(chǎng)對(duì)法蘭密封槽底部和側(cè)面進(jìn)行整體車削以消除裂紋。①當(dāng)密封槽底部及側(cè)面車削深度達(dá)到3.5mm時(shí)，TP347覆層雖然已經(jīng)清除，著色檢查裂紋仍然存在，由此可以判斷裂紋已經(jīng)深及過渡層。②繼續(xù)進(jìn)行車削處理。車削總體深度達(dá)到7.5mm后，TP309L過渡層均已清除，著色檢查密封槽底部及側(cè)面，裂紋全部消除，據(jù)此可以判斷法蘭密封槽裂紋貫穿于覆層和過渡層，止于基層。

（2）堆焊過渡層 第一，預(yù)熱：通常情況下為了減少冷裂傾向， SA-336M-F22V鍛件的焊接需要進(jìn)行不低于200℃的預(yù)熱。Cr、Ni含量較高的奧氏體不銹鋼焊條用做SA-336M-F22V的過渡層堆焊時(shí)，在鄰近基層一側(cè)靠近熔合線附近的奧氏體焊縫中，存在一個(gè)窄的低塑性體的奧氏體加馬氏體過渡帶（層），它的存在降低了過渡層的抗裂性，因此堆焊過渡層必須進(jìn)行預(yù)熱。

但是修復(fù)中堆焊過渡層選用的WEL309L為超低碳不銹鋼焊條，其熔敷金屬含碳量不超過0.03%，較低的碳含量降低了熔合線低塑性體馬氏體過渡帶的寬度，不利因素相對(duì)減少。此外，采用較大的熱輸入進(jìn)行奧氏體不銹鋼焊接會(huì)降低焊縫的抗蝕性，故而層間溫度通?？刂圃?00℃以下。綜合考慮上述三種因素，確定堆焊過渡層的預(yù)熱溫度可以低于200℃，最終確定預(yù)熱溫度為120~140℃。

第二，焊接：采用焊條電弧焊堆焊過渡層，堆焊高度≥3mm。焊條牌號(hào)為：WEL309L、φ4.0mm，堆焊后緩冷至室溫，焊接參數(shù)如表2所示，注意控制層間溫度不超過150℃。

第三，最終焊后熱處理：由于局部加熱范圍內(nèi)的復(fù)合鋼過渡層和覆層都是奧氏體不銹鋼，而不銹鋼在敏化溫度（450～850℃）區(qū)間內(nèi)對(duì)晶間腐蝕較為敏感，所以這種復(fù)合鋼的焊后熱處理應(yīng)特別慎重。與TP309奧氏體不銹鋼相比，由于TP309L含C量較低，因此該種金屬材料晶間腐蝕傾向也大大減少；TP347L焊條含有穩(wěn)定化元素Nb，Nb與C能形成更加穩(wěn)定的NbC，因此TP347L焊條耐晶間腐蝕性能更加優(yōu)越。SA-336M-F22V在500～700℃敏感溫度區(qū)間具有再熱敏感傾向也是不能回避，因此熱處理工藝的擬定必須綜合考慮以下因素：①避免在回火脆性及再熱裂敏感的500～700℃內(nèi)進(jìn)行，在此溫度區(qū)間內(nèi)升降溫均應(yīng)以相對(duì)較快的速度進(jìn)行。②局部熱處理必須保證受熱寬度大于焊件壁厚的2~3倍，且至少≥150mm。實(shí)際確定熱處理工藝曲線如圖6所示。

（3）過渡層粗加工 采用動(dòng)力頭對(duì)WEL309L堆焊層進(jìn)行粗加工，保證過渡層高度滿足3mm。對(duì)加工后的堆焊層進(jìn)行著色檢測(cè)，探傷標(biāo)準(zhǔn)：NB/T47013—2015，Ⅰ級(jí)合格。

（4）堆焊覆層 采用TP347L焊條電弧焊堆焊，堆焊高度≥4.5mm（見圖7）。焊條牌號(hào)為：WEL347L、φ4.0mm，焊接層間溫度＜100℃。

（5）密封面精加工 采用動(dòng)力頭對(duì)堆焊層進(jìn)行加工，各項(xiàng)尺寸符合圖2要求，并用專用研磨環(huán)進(jìn)行研磨，充分保證法蘭的密封要求。修復(fù)后即進(jìn)行設(shè)備人孔法蘭回裝，經(jīng)氣密檢查，法蘭密封無泄漏。至今投入生產(chǎn)運(yùn)行已達(dá)10個(gè)多月無異常。

表2 裂紋修復(fù)焊接參數(shù)

圖6 最終焊后熱處理工藝曲線

圖7 WEL347L堆焊層表面

4. 結(jié)語

修復(fù)后實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，渣油加氫裝置Ⅰ系列第四反應(yīng)器R1804人孔法蘭密封槽裂紋現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)方案合理可行，修復(fù)措施控制得當(dāng)，修復(fù)結(jié)果達(dá)到使用要求。該臺(tái)設(shè)備法蘭密封槽較大裂紋的成功修復(fù)，為國內(nèi)加氫反應(yīng)器裂紋故障處理積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。