加氫反應(yīng)器不銹鋼堆焊層表面裂紋原因分析及返修工藝探討

潘志浩，李緒豐，傅如聞

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

加氫反應(yīng)器是加氫裝置和加氫工藝過程的核心設(shè)備，為增強(qiáng)設(shè)備的抗腐蝕性能，廣泛采用奧氏體不銹鋼堆焊工藝，但由于長期服役于高溫和較高壓力下，且處于臨氫苛刻環(huán)境，導(dǎo)致奧氏體不銹鋼堆焊層表面裂紋成為加氫反應(yīng)器檢驗發(fā)現(xiàn)的常見缺陷之一[1-2]。

由于加氫反應(yīng)器處于工藝裝置關(guān)鍵路徑，如何對該類設(shè)備的缺陷進(jìn)行全面檢測和分析，從而采取相應(yīng)的處理措施，不僅是確保裝置長周期安全運(yùn)行的重點所在[3]，同時也是困擾裝置設(shè)備人員的難題之一。本文以石化乙烯裂解裝置中二段加氫反應(yīng)器為例，檢驗發(fā)現(xiàn)上下封頭與筒體的對接環(huán)焊縫及人孔內(nèi)壁焊縫部位奧氏體不銹鋼堆焊層存在整圈彌散型裂紋，通過滲透檢測、相控陣檢測、鐵素體檢測、理化檢驗等多種方法對裂紋成因進(jìn)行分析，繼而提出針對性的返修工藝。

1 設(shè)備參數(shù)

該裝置二段加氫反應(yīng)器相關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 二段加氫反應(yīng)器參數(shù)

該加氫反應(yīng)器采用雙層堆焊結(jié)構(gòu)，基層材料為SA387-Gr11-CL2(1.25Cr-0.5Mo),過渡層材料為E309L，復(fù)層材料為E347，堆焊層設(shè)計厚度為7.0 mm，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。資料審查發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中有短時超溫情況。

圖1 反應(yīng)器示意圖

2 主要檢驗項目及結(jié)果

2.1 滲透檢測

對上下封頭與筒體對接焊縫部位(圖1中B1和B2)奧氏體不銹鋼堆焊層內(nèi)表面按照NB/T47013-2015[4]的要求進(jìn)行滲透檢測。經(jīng)滲透檢測發(fā)現(xiàn)不銹鋼手工堆焊層內(nèi)表面對接環(huán)焊縫B1和B2存在大量彌散型裂紋，形態(tài)如圖2、圖3所示，從圖2、圖3可見裂紋斷續(xù)且細(xì)，無明顯分枝。為了進(jìn)一步確認(rèn)缺陷分布情況，對人孔部位塔盤角焊縫及所有熱電偶角焊縫進(jìn)行擴(kuò)探，擴(kuò)探部位依然發(fā)現(xiàn)存在多處表面裂紋。同時抽查4處非手工堆焊層，檢測結(jié)果表明，所有離散型裂紋均出現(xiàn)在手工堆焊部位。

圖2 B1環(huán)縫彌散型裂紋

圖3 B2環(huán)縫彌散型裂紋

2.2 相控陣檢測

通過滲透檢測僅能發(fā)現(xiàn)缺陷的分布情況，對于裂紋是否延伸至基體母材則無法做出判斷，而利用相控陣檢測的技術(shù)優(yōu)勢則能較好彌補(bǔ)這一不足[5]。采用4.0L16-0.5-9探頭，選擇靈敏度為φ2×40-4dB從反應(yīng)器對接環(huán)焊縫B1和B2外壁封頭單側(cè)進(jìn)行扇形掃查，經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)反射回波，如圖4所示，說明內(nèi)表面堆焊層裂紋未擴(kuò)展至基體母材。

圖4 相控陣掃查成像

2.3 硬度檢測

對內(nèi)壁奧氏體不銹鋼堆焊層上下封頭與筒體對接環(huán)焊縫及兩側(cè)并沿焊縫周向進(jìn)行硬度抽查，其結(jié)果見表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)表面堆焊層環(huán)焊縫硬度較兩側(cè)稍高，但實測最大硬度<245 HB[6]。

表2 上、下環(huán)焊縫區(qū)域硬度測量數(shù)據(jù)(HB)

2.4 鐵素體分析

采用便攜式鐵素體測定儀對不銹鋼堆焊層進(jìn)行抽查，內(nèi)壁環(huán)焊縫經(jīng)滲透檢測發(fā)現(xiàn)裂紋的部位，其鐵素體含量低于3%，而無缺陷抽檢部位的鐵素體含量均在3%～10%內(nèi)。

2.5 金相檢驗

分別選取底部環(huán)焊縫區(qū)域無缺陷部位和裂紋部位進(jìn)行金相檢驗。采用現(xiàn)場便攜式顯微鏡PTI-2000，機(jī)械拋光，用王水做腐蝕液，得到的顯微組織分別如圖5、圖6所示。無缺陷部位顯微組織為：奧氏體+δ鐵素體，裂紋部位的顯微組織中奧氏體基體溶解的鐵素體極少。

圖5 無缺陷部位金相組織

圖6 裂紋部位金相組織

3 裂紋原因分析

結(jié)合設(shè)備運(yùn)行情況，通過對前述各種檢驗檢測結(jié)果進(jìn)行深入分析，得出裂紋成形原因。首先，堆焊層表面裂紋均在手工堆焊的焊縫位置，所抽檢的非手工焊部位檢測的結(jié)果均未見異常，說明設(shè)備制造過程中手工堆焊工藝控制不嚴(yán)，這是導(dǎo)致堆焊層對接環(huán)焊縫表面出現(xiàn)彌散型裂紋的主要原因；其次，設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)過超溫現(xiàn)象，雖然時間較短，但堆焊層采用的奧氏體不銹鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)比母材低,熱膨脹系數(shù)卻高于母材[7]，這種情況下，應(yīng)力集中的焊縫部位在熱應(yīng)力效應(yīng)疊加下，促使堆焊層環(huán)焊縫位置出現(xiàn)細(xì)微裂紋，在高溫高壓臨氫工況下，裂紋沿環(huán)焊縫周向整圈彌散分布；再次，鐵素體一般均布成小島狀存在于奧氏體晶粒間，能有效提高金屬的耐晶間腐蝕性能[8]，而實際檢測結(jié)果堆焊層表面裂紋部位的鐵素體含量偏低，且金相顯微組織中奧氏體基體中溶解的鐵素體極少，二者結(jié)果表明，奧氏體不銹鋼堆焊層中鐵素體含量不足是導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的根本原因。

4 返修工藝探討

基于上述原因分析，對內(nèi)壁堆焊層焊縫返修過程應(yīng)制定合理的返修工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，尤為關(guān)鍵的是修磨補(bǔ)焊工藝。綜合考慮設(shè)備材料與結(jié)構(gòu)因素后，制訂返修工藝主要包括以下幾點：(1)對存在缺陷的堆焊焊縫焊前進(jìn)行消氫熱處理，熱處理溫度控制在300～350 ℃，保溫時間20～24 h；(2)重新PT檢測，標(biāo)記缺陷位置；(3)機(jī)械方法清除缺陷并圓滑過渡，嚴(yán)控層間溫度≤100 ℃，防止過熱，PT復(fù)驗確認(rèn)消缺；(4)測量消缺后打磨深度H，并據(jù)此采取相應(yīng)補(bǔ)焊工藝。H≤3 mm時，采用焊條電弧焊堆焊復(fù)層，控制層間溫度≤100 ℃，并修磨平滑過渡，PT、FN復(fù)測合格；36 mm時，需準(zhǔn)確測量基材損傷深度，可參照3

5 結(jié)論與建議

(1)通過多種方法對奧氏體不銹鋼堆焊層裂紋進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果并結(jié)合設(shè)備運(yùn)行情況，分析得出裂紋產(chǎn)生的根本原因是奧氏體不銹鋼中鐵素體含量不足，主要原因是設(shè)備制造過程手工堆焊工藝控制不嚴(yán)，高溫?zé)釕?yīng)力疊加堆焊焊縫殘余應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生沿環(huán)焊縫彌散分布裂紋。

(2)基于裂紋原因分析，綜合考慮設(shè)備材料與結(jié)構(gòu)特點，提出了根據(jù)不同消缺打磨深度的對應(yīng)返修工藝，為石油化工行業(yè)同類設(shè)備的返修處理提供了有益借鑒。

(3)建議加強(qiáng)設(shè)備日常運(yùn)行監(jiān)控，防止超溫超壓運(yùn)行，同時嚴(yán)格執(zhí)行開停車工藝。