肖暉

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院， 河南 鄭州 450016）

高壓加氫反應(yīng)器處于高溫、高壓、臨氫介質(zhì)的運(yùn)行環(huán)境，為確保高壓加氫反應(yīng)器安全、穩(wěn)定地長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行全面檢驗(yàn)工作就顯得尤為緊迫和重要[1-2]。由于高壓加氫反應(yīng)器通常采用Cr-Mo鋼制造，例如1.25Cr-0.5Mo鋼、2.25Cr-1Mo鋼等，這些類型的Cr-Mo熱強(qiáng)鋼雖然具有較高的強(qiáng)度、較好的韌性和較高的抗氫性能，但在制造和使用過程中易產(chǎn)生再熱裂紋缺陷[3-4]。

本文針對(duì)采用14Cr1MoⅣ鋼制造的某BDO（1,4-丁二醇）裝置高壓加氫反應(yīng)器在檢驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)的外表面環(huán)向裂紋，進(jìn)行修復(fù)處理和安全評(píng)定，為Cr-Mo鋼制承壓特種設(shè)備的缺陷修復(fù)及使用提供參考。

1 設(shè)備基本情況

該BDO裝置高壓加氫反應(yīng)器2011年9月投入使用，設(shè)備為單層鍛焊立式結(jié)構(gòu)，基體材質(zhì)為14Cr1MoⅣ，內(nèi)表面堆焊層為347L不銹鋼，設(shè)備基本參數(shù)見表1。

表1 高壓加氫反應(yīng)器設(shè)備基本參數(shù)

2 基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)

2.1 檢驗(yàn)策略

采用RBI（Risk Based Inspection，基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)）對(duì)該高壓加氫反應(yīng)器進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，得出其主要損傷機(jī)理如下：

（1）有機(jī)酸腐蝕

金屬與低分子有機(jī)酸（如甲酸、乙酸、乙二酸等，不含環(huán)烷酸等其他有機(jī)酸）接觸時(shí)發(fā)生的均勻腐蝕或局部腐蝕。以甲酸為例，腐蝕過程為：Fe+2HCOOH→Fe(HCOO)2+H2

（2）外部腐蝕

外部腐蝕包括無保溫層的大氣腐蝕和保溫材料的層下腐蝕。大氣腐蝕表現(xiàn)為均勻或局部腐蝕，局部腐蝕依賴于是否有水局部積聚，漆層脫落部位為均勻腐蝕。大氣腐蝕外觀表現(xiàn)為形成紅色氧化鐵產(chǎn)物。層下腐蝕產(chǎn)生機(jī)理是由于保溫層與金屬表面間的空隙內(nèi)水的集聚產(chǎn)生的。層下腐蝕形成局部腐蝕，常發(fā)生在-12～120℃溫度范圍內(nèi)，在50～93℃區(qū)間時(shí)尤為嚴(yán)重。層下腐蝕對(duì)于碳鋼和低合金鋼表現(xiàn)為松散的、薄片狀的氧化皮，具有高度的局部腐蝕特征。對(duì)于300系列不銹鋼，層下腐蝕表現(xiàn)為凹坑或氯化物應(yīng)力腐蝕開裂。

（3）襯里失效

裝置中的一些重要關(guān)鍵設(shè)備采用了復(fù)合鋼板（碳鋼＋不銹鋼）以及堆焊層結(jié)構(gòu)。不銹鋼襯里失效主要包括三個(gè)方面：襯里腐蝕減薄、應(yīng)力腐蝕開裂和層下開裂，其中應(yīng)力腐蝕開裂和層下開裂主要發(fā)生在開停工階段。

根據(jù)上述損傷機(jī)理和風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，確定該高壓加氫反應(yīng)器基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)策略如下：

（1）宏觀檢驗(yàn)：本體、接管、焊縫、結(jié)構(gòu)與支承、保溫、防腐檢查。

（2）壁厚測(cè)定：殼體及可檢部位接管壁厚抽查，重點(diǎn)部位為液位波動(dòng)處與氣液兩相段、進(jìn)出口正對(duì)面器壁及底部排污導(dǎo)凝接管。

（3）表面缺陷檢測(cè)：外壁對(duì)接焊縫MT（磁粉檢測(cè)）≥25%，可檢部位接管角焊縫MT或PT（滲透檢測(cè)），重點(diǎn)部位為筒體與端部連接部位及密集開孔等應(yīng)力集中部位。

（4）埋藏缺陷檢測(cè)：外壁對(duì)接焊縫UT（超聲波檢測(cè)）≥25%，堆焊層剝離掃查抽檢。

（5）硬度檢測(cè)：外壁對(duì)接焊縫抽查。

（6）安全附件檢驗(yàn)：安全閥等。

2.2 檢驗(yàn)過程

裝置停車后，依據(jù)檢驗(yàn)策略對(duì)該高壓加氫反應(yīng)器分別進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)定、超聲波、磁粉以及滲透檢測(cè)和安全附件檢驗(yàn)。其中，超聲波檢測(cè)采用CTS-9008型超聲檢測(cè)儀，探頭型號(hào)2.5P13×13K1/K2，評(píng)定靈敏度φ2×40-14dB，依據(jù)NB/T 47013.3-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》對(duì)筒體外表面焊縫進(jìn)行單面雙側(cè)掃查；磁粉檢測(cè)采用CJE-220型便攜磁軛式磁粉檢測(cè)儀，磁粉類型為非熒光磁粉，靈敏度試片為A1：30/100，依據(jù)NB/T 47013.4-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè) 第4部分：磁粉檢測(cè)》對(duì)筒體外表面焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)。

檢驗(yàn)人員在磁粉檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)第二筒節(jié)和第三筒節(jié)連接環(huán)焊縫處存在多條裂紋，其中最長(zhǎng)的一條裂紋長(zhǎng)度為1124mm，裂紋的走向大體沿環(huán)焊縫熔合線方向，裂紋宏觀形貌如圖1所示。經(jīng)RMG4015型裂紋測(cè)深儀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該裂紋深度為15mm，確定裂紋為非貫穿型外表面裂紋。

圖1 高壓加氫反應(yīng)器裂紋宏觀形貌

2.3 缺陷成因分析

由于工況條件的需要，該設(shè)備外壁的厚度達(dá)到82mm，外壁材料14Cr1MoⅣ鋼的裂紋敏感性較強(qiáng)，并且相對(duì)于其他位置，筒節(jié)的對(duì)接環(huán)焊縫處拘束應(yīng)力較大。焊接后在熔合線附近會(huì)存在較大的殘余拉應(yīng)力。為消除殘余應(yīng)力，高壓加氫反應(yīng)器環(huán)焊縫需要進(jìn)行焊后消除應(yīng)力處理，對(duì)于含有沉淀強(qiáng)化元素的14Cr1MoⅣ鋼，在焊后可能未出現(xiàn)裂紋，而在高溫服役過程中，由于應(yīng)力松弛，致使出現(xiàn)如圖1所示的再熱裂紋缺陷。

3 缺陷安全評(píng)定

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)表面裂紋進(jìn)行打磨消除處理，打磨后在高壓加氫反應(yīng)器筒體外表面形成多處凹坑缺陷（凹坑缺陷形式及部位如圖2所示），采用有限元分析軟件ANSYS15.0對(duì)含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果采用JB4732-1995《鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。

3.1 材料參數(shù)

高壓加氫反應(yīng)器設(shè)備基本參數(shù)如表1所示。152℃下14Cr1MoⅣ材料性能參數(shù)如表2所示。

圖2 凹坑缺陷形式及部位

表2 14Cr1MoⅣ材料性能參數(shù)

3.2 應(yīng)力分析

3.2.1 有限元模型建立及單元網(wǎng)格劃分

分析時(shí)基于保守原則，將打磨后所形成的凹坑按一處凹坑缺陷處理，取筒體環(huán)向周長(zhǎng)作為凹坑缺陷的長(zhǎng)度，取各凹坑缺陷中最大深度（6.5mm）作為凹坑深度，取各凹坑缺陷中最大寬度（11mm）作為凹坑寬度。根據(jù)處理后的含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)和載荷特點(diǎn)，將其簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型進(jìn)行應(yīng)力分析。分析時(shí)采用選用8節(jié)點(diǎn)四邊形單元Plane82單元模擬高壓加氫反應(yīng)器筒體，為保證計(jì)算精度，凹坑缺陷部位進(jìn)行細(xì)化處理。劃分后的網(wǎng)格共含有單元24404個(gè)，節(jié)點(diǎn)74377個(gè)。含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器有限元分析模型及網(wǎng)格如圖3所示（模型中筒體壁厚不包括堆焊層厚度）。

圖3 含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器有限元分析模型及網(wǎng)格

3.2.2 邊界條件

（1）位移邊界條件

在含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器有限元分析模型下側(cè)施加軸向位移約束（ΔY=0），如圖4所示。

（2）力邊界條件

(a)在含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器筒體內(nèi)表面施加最大工作載荷Pc=18.9MPa，如圖4所示；

圖4 邊界條件

3.2.3 應(yīng)力分析結(jié)果及線性化結(jié)果評(píng)定

工作載荷下含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器應(yīng)力強(qiáng)度SINT（第三強(qiáng)度理論）云圖如圖5所示。根據(jù)含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器應(yīng)力分析結(jié)果，建立如圖5所示的3條路徑，利用ANSYS的路徑線性化功能，對(duì)不同路徑下應(yīng)力強(qiáng)度SINT分別進(jìn)行分類。

圖5 工作載荷下含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器應(yīng)力強(qiáng)度SINT云圖

在對(duì)高壓加氫反應(yīng)器進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定時(shí)，基于偏保守原則，將二次應(yīng)力歸于一次應(yīng)力考慮。在多向應(yīng)力狀態(tài)下，JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力強(qiáng)度需滿足5個(gè)強(qiáng)度準(zhǔn)則，由于本次分析著重考察總體和局部靜強(qiáng)度及疲勞分析，故僅對(duì)其中的第1、2、3準(zhǔn)則進(jìn)行校核。

JB4732-1995[5]中規(guī)定：

(a)一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SI小于KSm；

(b)一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度SII小于1.5KSm；

(c)一次局部薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度SIII小于1.5KSm。

其中Sm為許用應(yīng)力，14Cr1MoⅣ材料在152℃時(shí)的許用應(yīng)力[σ]t為169MPa，由于凹坑缺陷位于筒體環(huán)焊縫上，故Sm=φ[σ]t。經(jīng)查閱該高壓加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)圖紙，其焊接系數(shù)φ=1.0，則Sm=1.0×169=169MPa。由于不考慮重力、風(fēng)載荷和地震載荷，此處K值取1.0。

根據(jù)JB4732-1995對(duì)各類局部應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行校核，表3為工作載荷下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及校核結(jié)果。

表3 工作載荷下各路徑應(yīng)力強(qiáng)度及校核結(jié)果

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，雖然為消除裂紋進(jìn)行打磨產(chǎn)生的外表面凹槽會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，其應(yīng)力水平增加至120.7MPa，但根據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，在設(shè)計(jì)條件下仍能夠滿足使用要求。

4 結(jié)論

（1）采用ANSYS有限元軟件對(duì)高壓加氫反應(yīng)器凹坑缺陷部位的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，可以得到凹坑缺陷部位在受載時(shí)直觀的應(yīng)力分布情況，獲得容器外壁詳細(xì)的應(yīng)力數(shù)值，并查看應(yīng)力沿相應(yīng)路徑的具體分布與變化情況。由于凹坑部位破壞了筒體之間焊縫連接處的連續(xù)性，發(fā)生結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致應(yīng)力突然增大，應(yīng)力強(qiáng)度最大值為120.7MPa。

（2）根據(jù)含凹坑缺陷高壓加氫反應(yīng)器應(yīng)力分析結(jié)果，建立三條應(yīng)力評(píng)定路徑。對(duì)其進(jìn)行線性化處理，分析了典型路徑的一次總體薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜應(yīng)力、一次局部薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度。依據(jù)JB4732-1995《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，在操作壓力不超過18.9MPa，操作溫度不超過152℃的使用條件下，可以滿足JB4732-1995標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)強(qiáng)度評(píng)定的要求，應(yīng)力評(píng)定結(jié)果合格。研究分析結(jié)果可為加氫反應(yīng)器的安全運(yùn)行提供重要依據(jù)。

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