楊俊才

（青海云天化國(guó)際化肥有限公司，青海湟中 811600）

1 概述

200kt/a 合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐爐管系統(tǒng)主要由四組豎琴管排組成，每組豎琴管排各有四十四根轉(zhuǎn)化管、一根上升管和一根下集氣管；一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管排長(zhǎng)期處于800℃以上高溫運(yùn)行狀態(tài)，且因各種突發(fā)原因容易出現(xiàn)開車升溫過快、緊急（聯(lián)鎖）停車急速降溫、催化劑問題局部超溫等問題，這些問題極易造成轉(zhuǎn)化管、上升管和下集氣管出現(xiàn)蠕變、變形、彎曲，焊縫區(qū)域出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)焊縫開裂、轉(zhuǎn)化管爆管等缺陷；在役設(shè)備長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行，金屬材料蠕變損傷、晶粒粗大材質(zhì)劣化，缺陷修復(fù)難度非常大。以200kt/a 合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐為例，每根轉(zhuǎn)化管有5道對(duì)接焊縫，每根上升管有5道對(duì)接焊縫，每根下集氣管有2道對(duì)接焊縫、45道角焊縫，四組豎琴管排重要焊縫有1 088道；一旦出現(xiàn)問題，檢測(cè)、修復(fù)工作量非常大，嚴(yán)重影響裝置安全長(zhǎng)周期運(yùn)行，現(xiàn)將歷年豎琴管焊縫修復(fù)及使用情況進(jìn)行說明，總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，為類似在役設(shè)備焊縫缺陷修復(fù)提供技術(shù)借鑒。

2 歷年豎琴管焊縫檢修及使用情況說明

本公司現(xiàn)有兩套200kt/a 合成氨裝置，一期自2010年7月、二期自2011年7月投產(chǎn)運(yùn)行，兩套裝置都是由中國(guó)成達(dá)工程有限公司設(shè)計(jì)并總包建造，豎琴管排參數(shù)、材料及規(guī)格見表1，管排結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 豎琴管參數(shù)、材料及規(guī)格

一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管排焊縫缺陷主要自2017年爆發(fā)性出現(xiàn)，具有普遍性、整體性特點(diǎn)；2017年5月，二期一段轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)第四排豎琴管下集氣管一條對(duì)接焊縫處有藍(lán)色火焰，判斷焊縫有貫穿性缺陷，介質(zhì)泄漏燃燒產(chǎn)生藍(lán)色火焰，裝置停車緊急搶修；2017年8月計(jì)劃停車，二期一段轉(zhuǎn)化爐豎琴焊縫預(yù)防性檢查，發(fā)現(xiàn)同5月份一樣缺陷較多，進(jìn)行檢修；2018年3月，二期一段轉(zhuǎn)化爐運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)第一排豎琴管下集氣管一條對(duì)接焊縫處有藍(lán)色火焰，緊急停車搶修；2018年11月冬季限氣停車，一期、二期預(yù)防性檢查同樣存在焊縫缺陷。

圖1 管排結(jié)構(gòu)圖

2.1 三期一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管歷年檢查焊縫缺陷統(tǒng)計(jì)

焊縫缺陷統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 焊縫缺陷統(tǒng)計(jì)表

2.2 焊縫缺陷類型

一種是下集氣管對(duì)接焊縫熔合線處貫穿性裂紋，自外向內(nèi)延伸，直至貫穿，打磨PT 檢測(cè)合格后焊縫；另一種是下集氣管上管臺(tái)連接角焊縫熔合線淺表裂紋，同樣自外向內(nèi)延伸，但沒有貫穿，深度都在8mm 以內(nèi)，打磨PT 檢測(cè)合格后焊縫。

2.3 修復(fù)方案簡(jiǎn)述

（1）2017 年5 月至2018 年3 月，采用PT 對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷打磨后PT 檢測(cè)I 級(jí)合格，豎琴管內(nèi)充99%以上純度氮?dú)庵脫Q，保持微正壓，氬弧焊接，焊材選用φ2mm～φ2.4mm ERNiCr-3焊絲，底層及第二層電流80～95A，填充層及蓋面層電流90～100A，修復(fù)后焊縫，焊接完成24h 后進(jìn)行PT 檢測(cè)；但檢修過程中經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：

①局部焊接的角焊縫有新增裂紋延熔合線出現(xiàn)延伸的情況；有的角焊縫局部焊接對(duì)稱方位熔合線出現(xiàn)新增裂紋，或者當(dāng)次PT 檢測(cè)合格，但在下一次檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)如上情況。

②對(duì)接焊縫修復(fù)后在熔合線還是出現(xiàn)裂紋，或者當(dāng)次PT檢測(cè)合格，但下一次檢測(cè)又出現(xiàn)裂紋。

（2）經(jīng)過深入分析和探討，就檢修單方面原因，產(chǎn)生新增裂紋的主要因素有：

①缺陷打磨前沒有對(duì)管排進(jìn)行有效的支撐、限位和固定，在打磨缺口位置形成應(yīng)力，同時(shí)焊接產(chǎn)生熱應(yīng)力，局部修復(fù)位置熔合線和熔合線延伸方向容易產(chǎn)生裂紋。

②在役管排長(zhǎng)期高溫運(yùn)行，材質(zhì)有劣化趨勢(shì)，有些焊縫多次焊接造成劣化更為嚴(yán)重，材料機(jī)械性能和焊接性能下降，完好原材料焊接工藝不能使用于在役設(shè)備，焊接應(yīng)力造成裂紋產(chǎn)生。

③PT 檢測(cè)是表面檢測(cè)，不能發(fā)現(xiàn)焊接時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，這些內(nèi)部缺陷運(yùn)行過程中擴(kuò)展，從而在運(yùn)行或下次檢查時(shí)被發(fā)現(xiàn)。

④焊接修復(fù)位置延伸和對(duì)稱位置應(yīng)力集中，當(dāng)時(shí)溫度低材料許用應(yīng)力大，但在高溫運(yùn)行過程中許用應(yīng)力降低、內(nèi)部介質(zhì)壓力等因素在應(yīng)力集中位置產(chǎn)生裂紋。

3 豎琴管焊縫修復(fù)技術(shù)總結(jié)

針對(duì)豎琴管焊縫修復(fù)過程中出現(xiàn)的問題，2018年11月邀請(qǐng)行業(yè)專家、公司專業(yè)領(lǐng)導(dǎo)等進(jìn)行了專題探討，深入剖析了以往檢修過程中存在的不足，也汲取了歷年在役設(shè)備維修成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)豎琴管焊縫修復(fù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。2018年11月按優(yōu)化方案實(shí)施檢修，2019年11月復(fù)檢二期管排出現(xiàn)1處缺陷，經(jīng)分析是2018年11月遺留缺陷未消除，之后按優(yōu)化方案進(jìn)行了修復(fù)；復(fù)檢一期管排出現(xiàn)2處新增缺陷，相對(duì)2018年11月減少了98.5%；實(shí)踐驗(yàn)證優(yōu)化后方案完全適用于在役一段轉(zhuǎn)化爐管排焊縫缺陷修復(fù)，對(duì)優(yōu)化后方案總結(jié)提煉，關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)如下：

1）對(duì)接焊縫采用PT+RT 檢測(cè)方式，先進(jìn)行RT 檢測(cè)，超出II 級(jí)的缺陷全部修復(fù)，特別是裂紋必須消除。

2）對(duì)角焊縫采用PT 檢測(cè)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)需打磨氧化皮進(jìn)行確認(rèn)。

3）缺陷打磨前必須將彈簧吊架限位，同時(shí)在下集氣管底部用千斤頂?shù)戎?，?shù)量不少于3處，應(yīng)可能消除外部應(yīng)力。

4）角焊縫裂紋缺陷，清理焊縫打磨處兩側(cè)各20mm 范圍內(nèi)的油、水等雜物，打磨消除缺陷，打磨后長(zhǎng)度超過焊縫總長(zhǎng)度1/3的，需對(duì)另2/3焊縫打磨清除氧化層，整圈進(jìn)行焊接。

5）缺陷打磨后需PT 檢測(cè)合格，焊前對(duì)焊接位置進(jìn)行預(yù)熱，焊縫兩側(cè)各150mm 范圍內(nèi)金屬整體溫度保持在15℃以上焊接（預(yù)熱需均勻）。焊接時(shí)需采取兩人同時(shí)對(duì)稱焊接方式，焊接參數(shù)（電流、焊接速度、焊道厚度等）保持一致，以保證焊縫應(yīng)力均勻。打底層焊接完成后需用奧氏體不銹鋼（不低于304材質(zhì)）小錘進(jìn)行敲擊，消除焊接應(yīng)力，防止焊縫開裂，宏觀檢查無缺陷，溫度降至要求范圍時(shí)進(jìn)行PT 檢測(cè)，無缺陷進(jìn)行下一層焊接，若有缺陷需整體打磨后按上述要求重新進(jìn)行處理。打底層焊接檢測(cè)合格后開始第二層焊接，每層焊接時(shí)起弧和收弧點(diǎn)不能重疊，焊道厚度不宜超過2mm，起弧和收弧位置需打磨檢查后方可進(jìn)行下一層焊接，層間清渣徹底，嚴(yán)格控制層間溫度＜150℃，收弧時(shí)應(yīng)采用反向收弧技術(shù)，以免產(chǎn)生弧坑裂紋，每層焊接完成后均需用奧氏體不銹鋼小錘進(jìn)行敲擊消除焊接應(yīng)力。蓋面層焊接完成后需對(duì)焊縫整體加熱至250～300℃，并用保溫棉包扎保溫（保溫棉厚度不低于100mm），以消除焊接應(yīng)力。

6）貫穿缺陷打磨長(zhǎng)度超過焊縫總長(zhǎng)度1/2時(shí)，需在缺口中心位置進(jìn)行點(diǎn)焊加固；超過2/3時(shí)對(duì)稱選擇點(diǎn)焊兩點(diǎn)加固；若全部開裂，需提前選擇對(duì)稱點(diǎn)焊4點(diǎn)進(jìn)行加固，防止變形。焊接時(shí)需符合上述要求，兩人對(duì)稱焊接，點(diǎn)焊加固位置需逐一打磨清理消除缺陷。貫穿性缺陷焊接時(shí)管道內(nèi)需充氮?dú)獗Ｗo(hù)。

7）消除應(yīng)力熱處理完成，環(huán)境溫度放置24h 后進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)接焊縫RT 檢測(cè)II 級(jí)合格，角焊縫PT 檢測(cè)I 級(jí)合格。

4 結(jié)束語

主要對(duì)在役一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管排焊縫修復(fù)成功經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了提煉和總結(jié)，對(duì)同類在役設(shè)備、管道維修提供技術(shù)借鑒；但要保證一段轉(zhuǎn)化爐一臺(tái)設(shè)備，整個(gè)化工裝置，整個(gè)生產(chǎn)鏈安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行，最關(guān)鍵還是要嚴(yán)格遵循安全操作規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書，精細(xì)控制、精心操作、平穩(wěn)生產(chǎn)；同時(shí)，各專業(yè)要準(zhǔn)確、詳盡收集數(shù)據(jù)，科學(xué)、深入分析評(píng)估設(shè)備性能和隱患缺陷，及時(shí)處理解決隱患缺陷，計(jì)劃性、預(yù)防性做好周期性維護(hù)，保持裝備安全可靠性能完好。