張劉偉 崔金濤(.南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司,江蘇 南京 0000;.洛陽(yáng)卓達(dá)石化設(shè)備有限公司,河南 洛陽(yáng) 47000)
某廠脫水裝置脫水塔已安全運(yùn)行8 年,定期檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該設(shè)備焊縫上多處橫向超標(biāo)缺陷,埋藏缺陷深度最深達(dá)到42.1mm,最長(zhǎng)30mm。根據(jù)TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》,安全狀況等級(jí)評(píng)定為5 級(jí)。《定檢規(guī)》要求:安全狀況等級(jí)為5 級(jí)的,應(yīng)當(dāng)對(duì)缺陷進(jìn)行處理,否則不得繼續(xù)使用。為消除隱患,保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行,對(duì)埋藏缺陷進(jìn)行了定性,并制定了可行的維修方案。
壓力容器類別為II 類。介質(zhì):TEG、天然氣;設(shè)計(jì)壓力9.1MPa,工作壓力8.1MPa;設(shè)計(jì)溫度:90/160℃;設(shè)計(jì)制造規(guī)范:GB150—1998《鋼制壓力容器》、TSG R0004-1999《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》;規(guī)格型號(hào)Φ1700×14673mm,上段筒體是58mm 的16MnR 板材,下段筒體是(54+3)mm 的16MnR+316L 復(fù)合板。技術(shù)要求16MnR 板材化學(xué)成分:S≤0.01%。
圖1 為脫水塔外形結(jié)構(gòu)圖。
圖1 脫水塔外形結(jié)構(gòu)圖
在役設(shè)備定期檢驗(yàn)時(shí),UT 檢測(cè)縱縫發(fā)現(xiàn)A3、A4、A5、A6有多處橫向超標(biāo)缺陷,埋藏缺陷最深達(dá)到42.1mm,最長(zhǎng)30mm。
脫水塔返回原制造廠后,對(duì)焊縫進(jìn)行表面檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。在設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè),在脫水塔表面布置聲發(fā)射傳感器,未發(fā)現(xiàn)活動(dòng)性缺陷。
依據(jù)射線檢測(cè)確定埋藏缺陷平面投影的位置、大小,依據(jù)超聲檢測(cè)確定埋藏缺陷的深度和相對(duì)位置,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選取焊縫缺陷當(dāng)量尺寸較大的部位對(duì)脫水塔本體縱焊縫A3、A5 取樣,分別為1#試樣和2#試樣。
1#試樣裂紋1~4 以平行于焊道的平面,從外焊縫向內(nèi)焊縫方向打磨,缺陷見(jiàn)圖2。2#試樣以平行于焊道的平面,從外焊縫向內(nèi)焊縫方向打磨,缺陷見(jiàn)圖3,其中點(diǎn)缺陷經(jīng)再次打磨后消失。
圖2 1#試樣
圖3 2#試樣
斷口及能譜分析顯示:裂紋自身高度2~5mm,斷面粗糙,存在金屬小顆粒;掃描電鏡裂紋微觀形貌分析見(jiàn)圖4,啟裂區(qū)以浮云狀白點(diǎn)為主,擴(kuò)展區(qū)存在明顯的擴(kuò)展條紋和魚(yú)眼型白點(diǎn),人為撕裂區(qū)以韌窩為主。
圖4 掃描電鏡裂紋微觀形貌分析
1#和2#試樣焊接接頭硬度檢測(cè)、化學(xué)分析、沖擊性能均符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求,焊縫金相組織、非金屬夾雜物正常。綜合對(duì)埋藏缺陷的分析,得出結(jié)論:焊縫中的缺陷主要為夾渣、氣孔、白點(diǎn)和焊接延遲裂紋。
作為對(duì)比,脫水塔筒體板材經(jīng)過(guò)100%的超聲波檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷,缺陷僅存在于焊縫中,維修范圍界定為對(duì)筒體縱、環(huán)縫焊縫金屬進(jìn)行整體更換。原制造工藝,下段復(fù)合板基層采用埋弧焊絲H10MnSi,焊劑HJ431;標(biāo)準(zhǔn)更新后,按照NB/T 47014—2015《壓力容器焊接規(guī)程》編制說(shuō)明3 提到Q345R 埋弧焊時(shí)也可以使用HJ431+H10MnSi,但前提是不進(jìn)行焊后熱處理。由于本設(shè)備需整體消應(yīng)力熱處理,下段復(fù)合鋼基層原采用的是H10MnSi+HJ431,已不適用;重新焊接時(shí),采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的H10Mn2 焊絲,配合SJ101 焊劑重新焊接。原工藝,上段16MnR采用H09MnSH 焊絲,配合SJ204SH 焊劑焊接,重新焊接時(shí)用S、P 含量更低的H09MnSHA 焊絲,配合SJ204SHA 焊劑。
3.2.1 模擬試塊驗(yàn)證
模擬焊接試件兩件,分別模擬上、下段焊接。采用原焊接工藝焊接、熱處理后,將焊縫金屬清除,按照維修方案制定的新焊接工藝重新焊接,經(jīng)NB/T 47013—2015 無(wú)損檢測(cè)合格,并進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理。兩件試件加工后,按照NB/T 47016—2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)》進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn),符合設(shè)計(jì)要求。
3.2.2 尺寸控制
縱焊縫采用碳弧氣刨先從內(nèi)側(cè)清除2/3 的原焊縫金屬厚度,重新焊接完畢后,再?gòu)耐鈧?cè)清除大于1/3 的原焊縫金屬厚度,再重新焊接??v縫焊接后,如圓度超標(biāo),對(duì)筒節(jié)進(jìn)行校圓,然后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。環(huán)焊縫若無(wú)法解決環(huán)焊縫置換后的收縮累積,返修后將降低設(shè)備整體高度,無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)管線安裝。須全部割開(kāi)并進(jìn)行工藝補(bǔ)償方能保證設(shè)備總高度。首先對(duì)所有環(huán)縫進(jìn)行定位尺寸標(biāo)記,以便再次組對(duì)時(shí)保證設(shè)備原高度,然后再采用半自動(dòng)氣割將所有環(huán)縫割開(kāi),采用大型立車加工雙U 型坡口,防止因焊接應(yīng)力過(guò)大,造成焊接變形。加工坡口時(shí)應(yīng)將原焊縫金屬全部清除,保證坡口加工后,焊縫缺陷全部清除。因焊縫切割勢(shì)必會(huì)對(duì)筒體的長(zhǎng)度及寬度造成影響,所以有必要對(duì)坡口焊接采用加寬加長(zhǎng)處理方法,在環(huán)縫鈍邊中間增加墊板,內(nèi)側(cè)焊后從外側(cè)清除墊板,從而達(dá)到保證焊接質(zhì)量和設(shè)備尺寸的目的??紤]焊后收縮,應(yīng)先采用兩個(gè)無(wú)接管的筒節(jié)進(jìn)行組對(duì),再原定位尺寸的基礎(chǔ)上增加3mm 寬度,整條環(huán)縫焊后進(jìn)行原定位尺寸測(cè)量,保證焊接收縮后,高度與原定位尺寸一致;若不一致,可以在其他筒節(jié)上進(jìn)行調(diào)整。
3.2.3 維修焊接工藝
復(fù)合板段坡口加工時(shí),應(yīng)對(duì)復(fù)層進(jìn)行剝邊5~10mm,防止基層焊接時(shí),基層焊縫金屬熔到不銹鋼層。使用5%硝酸酒精溶液腐蝕剝邊部位,以確定不銹鋼層全部剝離干凈。焊前坡口兩側(cè)200mm 范圍內(nèi)刷白堊粉,防止焊接飛濺污染不銹鋼表面。
因設(shè)備直徑小,厚度大,焊縫拘束度大,上段和下段復(fù)合板基層焊接時(shí),應(yīng)對(duì)焊縫100mm 范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度200~250℃,層間溫度200~300℃。
環(huán)縫應(yīng)采用整圈預(yù)熱,焊后對(duì)焊縫進(jìn)行消氫處理300℃,保溫1h,便于氫原子從焊縫中逸出,防止產(chǎn)生冷裂紋。焊接時(shí),應(yīng)采用多層多道焊,不僅能便于焊渣和氣孔逸出,還能提高焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能。如中間停止焊接,應(yīng)對(duì)已焊接焊縫金屬進(jìn)行消氫處理,再次焊接時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行預(yù)熱??v縫預(yù)熱可采用溫控儀,在焊接側(cè)的背面布置加熱帶,在埋弧焊導(dǎo)軌下點(diǎn)焊熱電偶,焊接完畢后可直接進(jìn)行消氫;因環(huán)縫焊接時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)筒體,無(wú)法在環(huán)縫上布置加熱帶,可采用火焰加熱法,使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫,焊接完畢后,應(yīng)及時(shí)在筒體內(nèi)部焊縫表面布置加熱帶,并在筒體外側(cè)點(diǎn)焊熱電偶后使用保溫棉保溫,進(jìn)行300℃消氫,保溫1h。具體焊接參數(shù)如表1 所示。
3.2.4 無(wú)損檢測(cè)
焊縫外觀檢查合格后,按照NB/T 47013—2015 進(jìn)行無(wú)損檢測(cè):100% TOFD 平行及非平行方向掃查,Ⅰ級(jí)合格;100%RT,技術(shù)等級(jí)B,Ⅰ級(jí)合格;100%UT 檢測(cè),Ⅰ級(jí)合格。下段復(fù)合板堆焊后的焊縫表面還要進(jìn)行鐵素體測(cè)定,3~10FN 為合格。
3.2.5 熱處理及熱處理后無(wú)損檢測(cè)、耐壓試驗(yàn)
設(shè)備在燃?xì)鉅t內(nèi)整體熱處理,保溫溫度(620±20)℃,保溫時(shí)間不小于2.5h。熱處理完畢對(duì)經(jīng)過(guò)返修的所有焊縫進(jìn)行100%TOFD 平行及非平行方向掃查,Ⅰ級(jí)合格。返修部位硬度檢驗(yàn),要求≤200HB。按照?qǐng)D紙要求的試驗(yàn)壓力11.38MPa 進(jìn)行水壓試驗(yàn)。
3.2.6 酸洗鈍化、刷漆
脫水塔耐壓試驗(yàn)合格后,不銹復(fù)合鋼經(jīng)熱處理部位表面進(jìn)行酸洗鈍化處理,外表面進(jìn)行噴砂處理,并按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行表面刷漆。
表1 焊接工藝
按照方案維修后脫水塔,已投入使用5 年,定期檢驗(yàn)未再發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。在役壓力容器定期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷,通過(guò)缺陷定性分析,按照科學(xué)、合理的維修方案進(jìn)行維修,可以有效消除缺陷,保證設(shè)備長(zhǎng)周期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。