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        柴油加氫高溫高壓臨氫不銹鋼工藝設(shè)備焊縫裂紋分析及處理

        2020-12-23 03:34:14李江華翟德宏羅曉軍
        石油化工建設(shè) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:工藝設(shè)備混合器母材

        王 毅 李江華 翟德宏 羅曉軍

        蘭州石化公司 甘肅蘭州 730060

        在某加氫裂化裝置國V 質(zhì)量升級改造中,在對反應(yīng)區(qū)急冷氫混合器與氫氣線接管對接焊接接頭進(jìn)行試壓后表面無損檢測時,發(fā)現(xiàn)廠家急冷氫混合器法蘭角接接頭(φ168×14)處存在環(huán)向裂紋(圖1),遂對此次升級改造中所有高壓不銹鋼混合器焊縫全部做滲透(PT)檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),急冷氫混合器法蘭與三通對接接頭亦存在裂紋,規(guī)格為φ273×30,管道材質(zhì)為TP321,打磨后發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋最深達(dá)26mm,長度最長達(dá)20mm,分布在焊縫、熔合線、母材和焊縫熱影響區(qū),有縱向(主要形式)及橫向線狀,且數(shù)量較多(圖2)。

        圖1 角接接頭環(huán)向裂紋

        圖2 混合器法蘭與三通對接接頭裂紋

        1 工藝設(shè)備原始施工和返修情況

        1.1 原始施工情況

        急冷氫混合器的材質(zhì)為TP321。從原廠提供的工藝資料看,該工藝設(shè)備焊接前進(jìn)行了焊接工藝評定,編制了焊接作業(yè)指導(dǎo)書,并經(jīng)過廠家技術(shù)部門確認(rèn),其無損檢測結(jié)果均為合格。該設(shè)備焊接接頭采用氬電聯(lián)焊,TP321 焊材為H08Cr19Ni10Ti(ER321)+A132。其在廠家廠房內(nèi)制造,制造時間為6 月份,不存在冬季施工的問題。但焊道坡口表面未經(jīng)PT 檢驗,雖然經(jīng)100%無損檢測合格(射線探傷及角接接頭為PT 檢測),但熱處理后未按照SHT3554- 2013《石油化工鋼制管道熱處理》規(guī)范要求進(jìn)行表面無損檢測,工藝設(shè)備制造完成并合格后未進(jìn)行水壓試驗(因設(shè)計要求為隨工藝試壓)。

        1.2 返修措施及過程

        返修施工前為確保施工質(zhì)量,編制了返修方案、返修焊接指導(dǎo)書、穩(wěn)定化熱處理方案等技術(shù)文件,經(jīng)裝置車間、工程部和監(jiān)理審查通過,要求在返修過程中,嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行。

        具體措施:首先對焊縫及母材進(jìn)行光譜分析,確定母材材質(zhì)符合要求(圖3)。對要求檢查的所有焊縫作PT 檢測,復(fù)查裂紋位置,由檢測人員對焊縫的缺陷標(biāo)位,指導(dǎo)打磨返修。裂紋打磨前,需在裂紋兩端打小孔,防止裂紋擴(kuò)散,打磨深度小于2mm 時,需圓滑過渡后再PT 檢查。確認(rèn)裂紋消除后進(jìn)行補(bǔ)焊處理。裂紋打磨方向:由裂紋兩側(cè)向裂紋中心打磨。裂紋深度由檢測人員測厚確定(圖4)。確認(rèn)消除裂紋后進(jìn)行施焊,焊后還要進(jìn)行PT、RT 檢查。

        整個過程要求嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝,控制層間溫度;對焊口做好標(biāo)識及記錄;焊后檢測合格后,及時進(jìn)行穩(wěn)定化處理;對打磨位置、長度、深度及焊接層間溫度做好控制(圖5),確保受控;打磨時使用不銹鋼專用砂輪片;現(xiàn)場質(zhì)量檢查員要對每道工序進(jìn)行嚴(yán)格的檢查記錄,確保質(zhì)量受控。

        圖3 光譜分析

        圖4 裂紋打磨

        圖5 層間溫度測量

        1.3 返修后檢測情況

        (1)著色檢驗:按工序要求對焊縫進(jìn)行焊接后的PT 檢查,發(fā)現(xiàn)全部合格;經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后,PT 檢測合格;待冷卻后帶入高壓管道系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗,試驗后對全部焊縫再次進(jìn)行PT 檢測,合格。

        (2)超聲波檢驗:由于不銹鋼焊縫的特殊性,僅能對厚度較小的焊縫的熔合線位置進(jìn)行超聲波探傷,結(jié)果合格。

        (3)射線探傷:對接接頭進(jìn)行100%射線探傷,檢測合格。

        (4)金相分析:以上幾種檢測手段并不能檢測母材及焊縫的金屬微觀變化,也不能確保母材處無缺陷。因此將母材取樣后進(jìn)行金相分析,結(jié)果如圖6 所示。由圖可見,母材晶粒較大,且能明細(xì)地看到有裂紋產(chǎn)生,因此現(xiàn)場對存在問題的混合器法蘭及接管進(jìn)行了更換。

        圖6 母材裂紋金相圖

        2 管道焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析

        根據(jù)焊縫裂紋發(fā)生的部位,焊接接頭形狀,隨機(jī)資料附帶的焊接記錄,以及檢測記錄可判斷,該類焊縫裂紋主要是奧氏體不銹鋼再熱影響區(qū)的熱裂紋。由于廠家焊接作業(yè)人員對TP321 焊接工藝不了解,沒有嚴(yán)格按照焊接工藝卡的要求進(jìn)行焊接,存在電流過大,焊條作橫向擺動的問題;多層多道焊接時,對TP321 材質(zhì)的層間溫度控制不當(dāng),未嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行,未待層間溫度冷卻至100℃以下就進(jìn)行下一層的焊接。

        TP321 為奧氏體不銹鋼,這種材質(zhì)具有較高的熱裂紋敏感性,在焊接熱影響區(qū)都有產(chǎn)生熱裂紋的可能,因此焊接過程中可能造成法蘭及母材熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。熱裂紋通常可分為凝固裂紋、液化裂紋和高溫失塑裂紋三大類,因裂紋均在焊接過程的高溫區(qū)發(fā)生,又稱為高溫裂紋。其中凝固裂紋主要發(fā)生在焊縫區(qū),液化裂紋主要在靠近熔合線的近縫區(qū)出現(xiàn)。對于多層多道焊縫,層道間也有可能出現(xiàn)液化裂紋、高溫失塑裂紋,主要在焊縫金屬凝固結(jié)晶后的高溫區(qū)發(fā)生[1]。

        奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)小、線膨脹系數(shù)大,在焊接接頭部位的高溫停留時間較長,焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫時承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變,這是產(chǎn)生熱裂紋的基本條件[1]。

        對于奧氏體不銹鋼焊縫,通常聯(lián)生結(jié)晶形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織,在凝固結(jié)晶過程中,一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Sn、Sb、B、Nb 易于在晶間形成低熔點的液態(tài)膜,因此造成焊接凝固裂紋。對于奧氏體不銹鋼母材,當(dāng)上述雜質(zhì)元素的含量較高時,容易產(chǎn)生近縫區(qū)的液化裂紋[2]。

        3 存在問題

        在本次返修過程中,發(fā)現(xiàn)下列問題會影響對焊縫質(zhì)量的判斷:焊縫做表面PT 檢查,內(nèi)部的缺陷不能查出來;UT 不能對奧氏體焊縫精確檢查,特別是母材厚度大于20mm 時更難判斷,因此判斷缺陷的準(zhǔn)確性不高;由于時間和環(huán)境條件的限制,焊縫不能做100%RT檢測,其是否存在缺陷無法確定,且γ 射線探傷的分辨率低,本次廠家經(jīng)γ 射線檢驗合格的焊縫到達(dá)現(xiàn)場經(jīng)PT 檢驗后又發(fā)現(xiàn)了裂紋。

        基于以上原因,只能對PT 檢查出的裂紋進(jìn)行返修,對埋藏在焊縫及母材深處的缺陷,只能在破壞切除后取樣,然后通過金相分析進(jìn)行。但金相分析只能觀察取樣位置的金相及裂紋,對未進(jìn)行取樣的部分仍然不能確定。若要確認(rèn)需要耗費大量的人力、物力,且其過程也是對母材及材質(zhì)的一種損傷,而且不能完全排除仍然存在裂紋的可能。對這種高壓不銹鋼厚壁管每種檢驗手段都有局限性,都難以準(zhǔn)確診斷焊縫缺陷,因此還有待進(jìn)一步研究。

        本次出現(xiàn)裂紋處為工藝設(shè)備,屬于廠家范疇,而且其焊口為設(shè)備口,亦不在高壓管道檢測范圍內(nèi),但若非及時發(fā)現(xiàn)并處理,將存在較大的安全隱患。建議今后對高壓管道工藝設(shè)備焊接質(zhì)量進(jìn)行入場檢驗,并隨工藝管道進(jìn)行相應(yīng)的檢測。

        4 結(jié)論

        從混合器發(fā)現(xiàn)第一處裂紋開始,遂對高壓工藝設(shè)備及管道焊縫進(jìn)行逐一檢查。經(jīng)PT 檢查后,共發(fā)現(xiàn)混合器焊縫有6 處裂紋,又經(jīng)金相分析后,對該工藝設(shè)備進(jìn)行了更換,確保了裝置安全運行,截止目前該裝置安全平穩(wěn)運行。

        奧氏體不銹鋼焊接工藝成熟,但若焊接過程中層間溫度控制不好,焊縫就容易產(chǎn)生熱裂紋。因此,要嚴(yán)格焊接的過程管理,確保質(zhì)量受控,同時合理安排工期及無損檢測節(jié)點,切勿趕工,若遇惡劣天氣條件,防護(hù)措施必須到位。

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