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(1.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司， 上海 201518； 2.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518)

煤炭間接液化是原料煤炭與氧氣和水蒸氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng)的一個(gè)過程，即先將煤炭全部轉(zhuǎn)化成粗煤氣，后經(jīng)變換、脫硫、脫碳等工序精制成潔凈的合成氣(一氧化碳和氫氣的混合物)，然后在催化劑等作用下進(jìn)一步加工成石腦油、柴油、液化氣等液體燃料的一個(gè)工藝過程。其中，油品加工裝置加氫裂化單元的加氫裂化反應(yīng)器是獲得液態(tài)燃料的關(guān)鍵設(shè)備之一，其設(shè)備設(shè)計(jì)、制造及其運(yùn)行質(zhì)量直接影響到產(chǎn)品的加工質(zhì)量與效率。

某400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目中的1臺(tái)加氫裂化反應(yīng)器于2015-03制造完成。現(xiàn)場(chǎng)安裝塔盤、填料的后續(xù)過程中，安裝人員目視發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器內(nèi)壁編號(hào)為A02、B01、B10的環(huán)焊縫上有不同程度的堆焊層表面裂紋。經(jīng)業(yè)主和制造單位協(xié)商后決定，由制造單位委托我公司為第三方再次對(duì)加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)壁接管手工堆焊區(qū)以及外延150 mm范圍、總裝環(huán)焊縫及兩側(cè)各300 mm范圍、塔盤支撐凸臺(tái)和外壁主體焊縫進(jìn)行一次無損檢測(cè)，采用由三方共同協(xié)商制定的檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)，即制造單位負(fù)責(zé)返修并檢出缺陷，返修后我方再次采用檢測(cè)方案中的檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)檢。文中對(duì)堆焊層表面開裂原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，其結(jié)果可為今后相同環(huán)境下設(shè)備的制造和焊接提供參考。

1 加氫裂化反應(yīng)器簡(jiǎn)介

此加氫裂化反應(yīng)器屬于Ⅲ類壓力容器，設(shè)計(jì)條件：操作溫度400 ℃，操作壓力8.0 MPa，設(shè)計(jì)溫度450 ℃，設(shè)計(jì)壓力9.2 MPa，介質(zhì)為石腦油+柴油+蠟油+氫氣+硫化氫的油氣混合物。主體材質(zhì)為12Cr2Mo1R+(TP.309L +TP.347L)，內(nèi)徑為4 400 mm，筒體(基材+內(nèi)襯)厚度(142+6.5)mm，封頭(基材+內(nèi)襯)厚度(80+6.5)mm，高度30 610 mm，體積約352 m3，主體結(jié)構(gòu)及部分焊縫位置示意圖見圖1。

圖1中，AM為油氣入口，N3為油氣出口，N2-1～N2-3為冷氫入口，N4-1～N4-3為催化劑側(cè)壁卸料口，N4-4為催化劑底部卸料口，TT01～TT07為塔盤支撐凸臺(tái)，A02為上封頭環(huán)焊縫，B01為下封頭環(huán)焊縫， B02、B04、B06、B08、B09、B10為組裝環(huán)焊縫，其中接管內(nèi)壁周圍、塔盤支撐凸臺(tái)、上下封頭環(huán)焊縫和組裝環(huán)焊縫內(nèi)壁堆焊層為手工堆焊，其余內(nèi)襯為自動(dòng)焊。

圖1 加氫裂化反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)及部分焊縫示圖

2 加氫反應(yīng)器無損檢測(cè)方案及結(jié)果

2.1 方案

根據(jù)上述目測(cè)出的裂紋，對(duì)此加氫裂化反應(yīng)器采用宏觀檢查、超聲檢測(cè)(UT)、磁粉檢測(cè)(MT)、滲透檢測(cè)(PT)、硬度測(cè)定、金相組織分析、鐵素體含量測(cè)定和光譜分析等方法進(jìn)行復(fù)檢，具體如下。

(1)外壁 對(duì)加氫裂化反應(yīng)器外壁進(jìn)行100%宏觀檢查，并按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》[1]對(duì)加氫裂化反應(yīng)器外壁環(huán)焊縫進(jìn)行100%超聲檢測(cè)+100%磁粉檢測(cè)、對(duì)塔盤支撐凸臺(tái)與基體結(jié)合部位進(jìn)行100%超聲檢測(cè)、對(duì)鞍放式接管連接焊縫和封頭與筒體連接焊縫進(jìn)行100%超聲檢測(cè)+100%磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。

(2)內(nèi)壁 對(duì)加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)壁進(jìn)行100%宏觀檢查，并按照NB/T 47013.5—2015對(duì)加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)壁接管手工堆焊區(qū)及外延150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行100%滲透檢測(cè)、對(duì)焊條電弧焊的組裝環(huán)焊縫及兩側(cè)各300 mm范圍進(jìn)行100%滲透檢測(cè)、對(duì)焊條電弧焊的塔盤支撐凸臺(tái)進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，Ⅰ級(jí)合格。對(duì)上述內(nèi)壁堆焊層做過滲透檢測(cè)的部位分別進(jìn)行硬度測(cè)定、金相檢測(cè)、鐵素體含量測(cè)定和光譜分析。

2.2 結(jié)果

(1)外壁 超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)的結(jié)果是均未發(fā)現(xiàn)需要返修的缺陷。

(2)內(nèi)壁 對(duì)加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)襯堆焊帶進(jìn)行滲透檢測(cè)，在A02、B01、B02、B04、B08、B10、TT01、TT02、TT04這些焊條電弧焊的焊道上以及焊條焊相鄰的第一、二條焊帶上總計(jì)發(fā)現(xiàn)52處Ⅳ級(jí)超標(biāo)缺陷，缺陷性質(zhì)為裂紋類，最長(zhǎng)50 mm。對(duì)加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)壁裂紋進(jìn)行打磨消除，其中裂紋最大深度4～5 mm，裂紋形狀多為橫向、縱向線(條)狀裂紋，部分為網(wǎng)狀裂紋，見圖2和圖3。

由圖2可見，缺陷部位主要分布在焊條電弧焊的焊道上以及相鄰的第一、二條焊帶上。由圖3可見，表面裂紋位于焊帶連接部位。

3 加氫反應(yīng)器內(nèi)襯檢測(cè)檢果

3.1 內(nèi)襯化學(xué)成分分析

分別從反應(yīng)器內(nèi)襯開裂部位(H03)和內(nèi)襯完好部位(H04)取樣，通過X射線熒光光譜分析確定其表層的化學(xué)成分，結(jié)果見表1。選取反應(yīng)器內(nèi)襯表面裂紋部位進(jìn)行打磨消除處理，在打磨深度約4 mm處(過渡層部位)取試樣，通過X射線熒光光譜分析確定其過渡層的化學(xué)成分，其中2塊試樣的結(jié)果分析見表2。

圖2 焊條電弧焊缺陷

圖3 焊帶連接部位缺陷

表1 反應(yīng)器內(nèi)襯表層化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 反應(yīng)器內(nèi)襯過渡層化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

由表1、表2的數(shù)據(jù)對(duì)比可以知道，反應(yīng)器堆焊的內(nèi)襯表層347L、過渡層309L的化學(xué)成分均能滿足GB/T 983—2012《不銹鋼焊條》[2]中對(duì)E347L、E309L的有關(guān)要求。

3.2 內(nèi)襯表層鐵素體含量測(cè)定

室溫下，分別取內(nèi)襯完好部位和開裂部位按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》[3]進(jìn)行鐵素體測(cè)定，結(jié)果見表3。

表3 反應(yīng)器內(nèi)襯鐵素體含量測(cè)定結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

由表3可知，內(nèi)襯表層完好部位的鐵素體含量滿足API 934—2008《加氫反應(yīng)器制造(高溫高壓臨氫2-1/4Cr和3Cr鋼制厚壁壓力容器材料和制造要求) 》[4]的3.0～10.0要求，但開裂部位則不滿足此要求。

3.3 內(nèi)襯表層硬度測(cè)定

依據(jù)GB/T 17394.1—2014《金屬材料 里氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》[5]，分別取內(nèi)襯完好部位和開裂部位對(duì)反應(yīng)器內(nèi)襯堆焊層進(jìn)行硬度測(cè)定，結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)器內(nèi)襯硬度測(cè)定結(jié)果 HV

由表4數(shù)據(jù)可知，內(nèi)襯表層堆焊層硬度小于235HV，滿足GB/T 1220—2007《不銹鋼棒硬度》[6]的要求。

3.4 內(nèi)襯表層金相組織分析

依據(jù)GB/T 17455—2008《無損檢測(cè) 表面檢測(cè)的金相復(fù)型技術(shù)》[7]對(duì)反應(yīng)器內(nèi)襯表層進(jìn)行金相組織分析，分別在內(nèi)襯完好部位和開裂部位進(jìn)行取樣，檢驗(yàn)面經(jīng)過機(jī)械拋光、王水溶液腐蝕后現(xiàn)場(chǎng)復(fù)膜制樣，結(jié)果見圖4。從圖4可見，內(nèi)襯組織為奧氏體+δ鐵素體，組織正常[8]，開裂部位的裂紋形態(tài)為沿晶界開裂[9]。

圖4 內(nèi)襯表層金相組織分析結(jié)果(200×)

從圖4可以知道，內(nèi)襯組織由奧氏體+δ鐵素體組成，組織正常。開裂部位裂紋形態(tài)為沿晶界開裂。

4 加氫反應(yīng)器內(nèi)襯開裂原因分析[8-10]

堆焊表層的組織為奧氏體+δ鐵素體，屬于正常[8]。缺陷部位的裂紋形態(tài)為枝晶間沿晶界裂紋，奧氏體晶?；緸檫吘夆g化、圓形，無明顯的定向凝固粗大的一次、二次枝晶。根據(jù)奧氏體不銹鋼的凝固特性，糊狀凝固時(shí)凝固區(qū)間較大，說明在焊接過程中焊材熔化，由液相轉(zhuǎn)化為固相時(shí)，冷卻速率較慢，其過冷度較小，經(jīng)過液相析出階段后，進(jìn)入糊狀凝固階段。此時(shí)，由于溫度降低，液相流動(dòng)性差，晶粒的液相凝固收縮得不到補(bǔ)充，凝固收縮應(yīng)力基本靠晶粒邊界來承受，并且晶粒各個(gè)方向應(yīng)力均布，容易在晶粒邊界形成晶間裂紋。

從表3可知，缺陷處的耐蝕層鐵素體含量普遍低于3%。按文獻(xiàn)[4]要求，焊態(tài)下耐蝕層鐵素體含量應(yīng)為 3%～10%。熱處理會(huì)導(dǎo)致堆焊層的鐵素體含量下降，但對(duì)比堆焊層無缺陷部位的鐵素體含量后可以知道，缺陷處的耐蝕層在熱處理之前疑為偏下限。奧氏體焊接時(shí)，需要控制焊縫中的鐵素體含量，目的是在焊縫中形成鐵素體+奧氏體兩相組織，以提高焊縫的抗開裂性能。

從鐵素體儀的測(cè)定值和金相組織分析結(jié)果來看，焊縫中鐵素體含量較低。結(jié)合金屬凝固特性及鐵-鉻-鎳合金相圖(圖5)，E347L焊材的Cr/Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比約為2.0。焊縫液相(L)凝固時(shí)，δ相首先由液相中析出，直至1 420 ℃左右時(shí)，組織中僅含有極少量剩余液相，然后剩余液相與δ相進(jìn)行包晶反應(yīng)生成γ相。包晶反應(yīng)區(qū)間后，γ相開始由δ相中析出，直至溫度降至1 325 ℃左右時(shí)，相變結(jié)束。由此凝固過程可以看出，δ鐵素體的消耗，主要在包晶轉(zhuǎn)變和隨后的高溫δ相向γ相的轉(zhuǎn)變過程中，導(dǎo)致鐵素體含量的降低，也就是在高溫停留時(shí)間過長(zhǎng)、冷卻速度較慢導(dǎo)致[11，12]。

圖5 Fe-Cr-Ni三元合金相圖

綜上所述可知，反應(yīng)器內(nèi)襯表面裂紋為熱裂紋，焊接工藝不當(dāng)是導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)襯開裂的主要原因。焊接線能量的過大(電壓升高、電流加大)致使焊縫溫度升高、液相高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，由液相轉(zhuǎn)化為固相時(shí)，冷卻速率較慢，其過冷度較小，凝固收縮應(yīng)力基本靠晶粒邊界來承受，在晶粒邊界形成晶間裂紋。這一過程焊縫組織由高溫鐵素體相分解形成高溫奧氏體相，導(dǎo)致焊縫鐵素體含量降低，致使焊縫發(fā)生開裂[13-15]。

5 加氫反應(yīng)器內(nèi)襯開裂處理措施[16-18]

(1)采用手工打磨的方式消除裂紋缺陷，堆焊層返修時(shí)還需做好對(duì)臨近堆焊層的保護(hù)。

(2)堆焊前應(yīng)對(duì)消除缺陷部位進(jìn)行滲透檢測(cè)，保證完全消除任何影響焊接的缺陷。

(3)焊接前，應(yīng)保證焊材已經(jīng)進(jìn)行過烘烤、保溫。

(4)焊前控制預(yù)熱溫度在80～110 ℃。

(5)焊條電弧焊焊接時(shí)，應(yīng)采用小線能量、短電弧、不擺動(dòng)或小擺動(dòng)的快速焊接方法，小擺動(dòng)的擺動(dòng)幅度應(yīng)不大于焊條直徑的2.5倍。控制多層多道焊層間溫度在150 ℃以下，并對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(6)加強(qiáng)層間的清理工作，盡量減少層間的夾渣等缺陷。

(7)焊接完成后，應(yīng)進(jìn)行表面滲透檢測(cè)和超聲波堆焊層剝離檢測(cè)，分別為Ⅰ級(jí)合格，進(jìn)行焊縫鐵素體含量測(cè)定，以3FN～10FN為合格[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)文中加氫裂化反應(yīng)器內(nèi)襯開裂部位采取了先打磨消除缺陷、再小電流快速焊的補(bǔ)焊措施，返修后經(jīng)超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)和鐵素體含量測(cè)定后，復(fù)檢達(dá)到了合格。

焊接質(zhì)量的控制對(duì)壓力容器的整體質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用，尤其對(duì)高壓、高溫的壓力容器。因此，在現(xiàn)場(chǎng)返修的施工過程中，加強(qiáng)焊接工藝過程控制以及完善焊接監(jiān)督管理制度顯得尤其重要。