2.25Cr-1Mo-0.25V加氫反應器的制造監(jiān)督檢驗

丁春雄，任 毅，郇 冬

(江蘇省特種設備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210036)

加氫反應器是石化、煉油、能源等加氫裂化、加氫精制裝置中的核心設備。它長期處于高溫、高壓、臨氫環(huán)境中運行。它在使用過程中面臨著氫腐蝕、氫脆、高溫硫化氫腐蝕、硫化物應力腐蝕開裂、堆焊層的剝離、鉻鉬鋼的回火脆性等問題。

以筆者檢驗的某2.25Cr-1Mo-0.25V加氫反應器過程中碰到的一些問題和解決思路；給大家提供一些參考和借鑒。

2011年某制造廠制造了二臺高度達8400/15200mm,壁厚最厚達340mm的2.25Cr-1Mo-0.25V加氫反應器。該塔設計溫度為454℃，工作溫度最低為435℃。

1 設備外形結(jié)構(gòu)及技術特性

該加氫反應器的結(jié)構(gòu)有如下幾個特點：

(a)此加氫反應器采用球形封頭，封頭與筒體不等厚，連接處采用等強度結(jié)構(gòu)，且焊縫遠離過渡段。

(b)此加氫反應器內(nèi)件的支撐形式不是采用一般的支撐圈式，而是采用凸臺形式，采用堆焊2.25Cr-1Mo-0.25V，使支撐圈與筒體成為一體，成為一個完整的凸臺。凸臺外部進行堆焊，拐角處圓滑過渡，從而改善了該不連續(xù)部位的應力分布。

(c)加氫反應器筒體與裙座的連接形式采用整體鍛環(huán)型式，鍛環(huán)與下部裙座采用同種材料的對焊連接，既改善了焊縫的受力狀態(tài)，又有利于保證制造時的焊接質(zhì)量。

該加氫反應器的技術特性見表1。

表1 加氫反應器的技術特性

2 封頭

封頭由鍛件廠出廠后，經(jīng)過粗加工后100%UT、MT探傷合格后，發(fā)外協(xié)廠家進行熱壓成型。回廠噴丸后進行100%UT、MT復探，合格后按照工藝要求裝焊緩沖環(huán)。由于成型封頭端口外翻，需要加工平整后再裝焊緩沖環(huán)。故根據(jù)需要裝焊四件機加壓塊及兩件吊耳。

首先在裝配臨時附件位置焊接隔離層，厚度不得小于6mm，焊后進行磁粉探傷，合格后裝焊機加壓塊等臨時附件。臨時附件材質(zhì)為碳鋼，焊接用焊材為與碳鋼相匹配的焊材，焊腳高為25mm。焊后經(jīng)MT探傷合格后再進行后序工作。

下球形封頭熱處理后，在臨時附件附近處發(fā)現(xiàn)弧形裂紋，裂紋弧長330mm，缺陷深度30～60mm，未貫穿，距工件下端(除緩沖環(huán)外)弧長700mm處開始，如圖1所示。

上球形封頭熱處理后，從封頭端面與緩沖環(huán)相焊部位往封頭頂端出現(xiàn)裂紋，外表面裂紋弧長約400mm,內(nèi)表面裂紋弧長約300mm，如圖2所示。

圖1 下封頭缺陷照片

圖2 上封頭缺陷照片

我們通過冷裂紋敏感系數(shù)Pcm值確定2.25Cr-1Mo-0.25V鋼存在較大的淬硬傾向和冷裂傾向。通過最高硬度法試驗、鐵研式試驗和十字接頭裂紋，確定了該鋼的預熱溫度不得低于150℃，實際推薦焊接預熱溫度為200～250℃。

由于2.25Cr-1Mo-0.25V鋼抗拉強度下限為585MPa，為保證材料經(jīng)焊后熱處理后的力學性能滿足圖樣要求，且有一定的富裕量，鍛件廠在鍛造鍛板時提高了材料的強度。根據(jù)封頭缺陷附近硬度檢測，測量值均在220～240HB之間，下封頭模擬最小焊后熱處理后的室溫抗拉強度值為710～715MPa，冷裂紋敏感傾向非常嚴重，增加了焊接風險。焊接時稍有不慎，就會導致焊接熱影響區(qū)開裂。

另制造廠對于加釩鋼臨時附件的焊接重視不夠，派年輕的無經(jīng)驗的焊工進行焊接。焊前預熱雖然達到了180℃，但實際上該溫度僅僅為鋼板表面溫度，他們就開始實施焊接，焊后后熱也不是很充分。如果這兩個環(huán)節(jié)中某一環(huán)節(jié)執(zhí)行不好的情況下，就會出現(xiàn)焊接冷裂紋。

后續(xù)制造廠在制造過程中，嚴格控制焊前預熱溫度和焊后后熱，未在出現(xiàn)此類問題。

3 筒體鍛件

本項目筒體共15件筒型鍛件，目前已正火(水加速冷卻)+回火12件，加模擬焊后熱處理后力學性能檢測完成11件，其中7件合格。4件不合格的質(zhì)量問題主要表現(xiàn)在-30℃KV2沖擊功不合格。

Cr-Mo鋼有一個共性，其回火參數(shù)控制在20.2 ～20.8之間各項力學性能最佳，如果超過該范圍，則力學性能中某個指標會發(fā)生急劇變化。

我們計算了鍛件母材試樣經(jīng)正火(水加速冷卻)后的回火675℃× 6h 及實際模擬最小焊后熱處理685℃×7h，計算其回火參數(shù)如下：

[P]=(273+T)(20+logt) ×10-3

其中:T——回火熱處理的溫度，K；

t——回火熱處理溫度為T時折合出的保溫時間，h。

經(jīng)過累加，回火參數(shù)[P]=20.18<20.2。

根據(jù)室溫抗拉強度模擬最小焊后熱處理后均分布在690 ～715MPa之間，說明材料較硬，韌性較差，這可能是影響材料沖擊韌性的主要原因。

調(diào)整熱處理中的回火溫度為：695℃×6h(相當于690℃× 7.69h)然后再模擬最小焊后熱處理及最大焊后熱處理工藝，進行抗拉強度和-30℃AKV的檢測。此時最小回火參數(shù)為：[P]=20.34>20.2。

為了驗證此事，我們在未熱處理的余料上進行調(diào)整后的回火工藝+模擬焊后熱處理，取樣金相組織分析并和之前回火熱處理后的試樣進行比較：

3.1 斷口斷裂

斷口形貌觀察見圖3。

圖3 斷口形貌觀察

3.2 碳化物

碳化物分布形態(tài)見圖4。

圖4 碳化物分布形態(tài)

3.3 鍛件組織的不均勻性

圖5 晶粒內(nèi)部及晶界上的白塊組織

采用調(diào)整后的熱處理工藝后，筒體鍛件力學相關力學性能均已合格。

同時分析制造廠力學試樣取試位置位于T/2壁厚處，白塊組織為晶粒中碳含量偏低部分，可能由于正火(水加速冷卻)冷速不足造成。而取樣位置正好處于這一區(qū)間，容易導致低溫沖擊韌性不穩(wěn)定。這也說明該產(chǎn)品鍛件具有厚壁，鍛造難度大等特點，晶粒內(nèi)部及晶界上的白塊組織見圖5。

4 焊接

4.1 環(huán)縫焊接控制

加氫反應器Cr-Mo鋼的焊接是制造的關鍵，也是確保其質(zhì)量的關鍵[1]。

Cr-Mo鋼焊接的關鍵在于焊前的預熱和焊后立即進行消應力熱處理。為達到和保證工藝規(guī)定的焊前預熱溫度為200～250℃，層間溫度≤300℃要求，采用整體進爐加熱、焊接過程中局部加熱保溫的方法，焊后立即安排進爐消應力處理，確保不致產(chǎn)生延遲裂紋?，F(xiàn)在制造廠一般采用窄間隙埋弧焊進行筒體環(huán)縫的焊接。

4.2不銹鋼堆焊

不銹鋼堆焊在加氫反應器中占有重要位置。一般根據(jù)由于其產(chǎn)品特點、需堆焊部位結(jié)構(gòu)形狀差異較大而應選擇不同的堆焊方法，一般采用帶極堆焊、手工電弧焊、鎢極氬弧焊(TIG)、藥芯焊絲(MIG)氣體保護焊四種不同的焊接方法來分別解決不同結(jié)構(gòu)處的堆焊問題。則焊接彎管不太適宜。

5 無損檢測

本次加氫反應器中的無損檢測按照相關技術協(xié)議要求進行。我們在監(jiān)督檢驗中重點做好筒體環(huán)縫TOFD、筒體堆焊層防剝離的UT檢測的旁站見證[2]。

6 熱處理

此加氫反應器在制造過程中，進行以下熱處理：焊后消氫處理(DHT)、中間焊后熱處理(ISR)、最終焊后熱處理(PWHT)、封頭熱成形后恢復性能熱處理。

6.1 焊后消氫處理

一般認為在300℃以內(nèi)氫擴散能力急劇增強，300℃以上則明顯下降。因此，在焊接工作完成后，立即對焊縫進行200～300℃之間保溫≥4h的消氫處理，以使擴散氫盡快逸出，避免氫聚積。

6.2 中間焊后熱處理

中間焊后熱處理的主要目的是消除焊接內(nèi)應力。需要注意的是，同樣的零部件經(jīng)歷的中間熱處理次數(shù)相差較大(如筒體)，而中間熱處理的次數(shù)對最終的回火參數(shù)[P]值有一定影響。因此，從設備一開始制造，應必須有專門人員負責統(tǒng)計每個零部件中間熱處理的次數(shù)和數(shù)據(jù)，以利于最終確定[P]值的需要。

6.3 最終焊后熱處理

加氫反應器的最終熱處理是整個制造過程中相當重要的工序之一，它必須在反應器一切焊接工作全部完成，且經(jīng)檢驗合格確認不再施焊之后才能進行。而對加氫反應器而言，最終熱處理不僅僅為了消除整體焊接應力、結(jié)構(gòu)應力，其更為重要的則在于通過最終熱處理以獲得最佳的母材、焊縫的抗回火脆化性能和理想的綜合力學性能。

7 結(jié)論

(1)鍛焊結(jié)構(gòu)加氫反應器目前已經(jīng)廣泛使用，目前來說只要能解決鍛件問題，鍛焊結(jié)構(gòu)的加氫反應器制造難度并不太大，所以我們在制造監(jiān)督檢驗過程中要更關注鍛件的質(zhì)量。

(2)2.25Cr-1Mo-0.25V鍛件較2.25Cr-1Mo更具有明顯的優(yōu)點：具有均勻的貝氏體組織、良好的彎曲性能和硬度均勻分布性，常溫強度值即使在705℃×40h之后仍有充分的裕量，具有更高的許用應力，更具有優(yōu)秀的高溫強度，步冷試驗后無明顯脆化，具有優(yōu)良的回火脆性性能等。目前所設計的較重要的加氫反應器都選用了此種材料。

(3)2.25Cr-1Mo-0.25V大壁厚加氫反應器的環(huán)縫，各制造廠一般采用窄間隙埋弧焊，這一技術的采用不僅能大大提高勞動生產(chǎn)率、減少坡口加工量、降低生產(chǎn)成本，而且焊縫一次合格率也大大提高，焊縫外觀也得到了改善。