紀(jì)純明，劉鵬，郝偉，戴行濤

加氫精制反應(yīng)器檢驗(yàn)與分析

紀(jì)純明，劉鵬，郝偉，戴行濤

（大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司， 遼寧 大連 116013）

在加氫精制反應(yīng)器全面檢驗(yàn)中，使用超聲測(cè)厚、無(wú)損檢測(cè)和金相等方法，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析，得到加氫精制反應(yīng)器損傷原因，為加氫精制反應(yīng)器的設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)提供參考。

加氫精制反應(yīng)器；檢驗(yàn)；損傷模式；分析

我國(guó)總的能源特征是“富煤、少油、有氣”，煤制油（Coal-to-liquids, CTL）是以煤炭為原料，通過(guò)化學(xué)加工過(guò)程生產(chǎn)油品和石油化工產(chǎn)品的一項(xiàng)技術(shù)，包含煤直接液化和煤間接液化兩種技術(shù)路線。以煤制油已成為我國(guó)能源戰(zhàn)略的一個(gè)重要趨勢(shì)，將我國(guó)的潔凈煤技術(shù)和應(yīng)用提升到了一個(gè)新的高度，為我國(guó)能源的可持續(xù)發(fā)展做出新的貢獻(xiàn)。加氫精制反應(yīng)器在煤化工中用于煤加氫液化制取液體燃料，是煤化工中的重要裝置。本文以某煤間接液化用加氫精制反應(yīng)器為例，介紹了加氫精制反應(yīng)器的檢驗(yàn)和分析。

1 裝置介紹

該加氫精制反應(yīng)器2014年03月由中石化洛陽(yáng)工程有限公司設(shè)計(jì)，2014年12月制造后投入運(yùn)行，加氫精制反應(yīng)器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加氫精制反應(yīng)器主要技術(shù)參數(shù)

2 損傷模式分析

加氫精制反應(yīng)器運(yùn)行環(huán)境高溫高壓，且介質(zhì)含有氫氣、硫化氫、有機(jī)酸等強(qiáng)滲透、腐蝕性介質(zhì)，主要存在氫脆、回火脆化、高溫氫腐蝕、高溫硫化物腐蝕等損傷模式[1]，具體表現(xiàn)在不銹鋼堆焊層表面裂紋、氫剝離裂紋、層下裂紋和氫脆開(kāi)裂等[2]。

3 檢驗(yàn)內(nèi)容和方法

本次檢驗(yàn)重點(diǎn)采用宏觀和無(wú)損檢測(cè)手段著重抽查由于氫脆斷、復(fù)層的鼓包和剝離、甲酸腐蝕，法蘭密封面梯形槽槽底圓角處的裂紋情況。壁厚測(cè)定，檢查是否存在由于氫腐蝕造成的測(cè)厚值變厚；高壓螺栓，特別是M36 以上的螺栓的檢查，其變形、裂紋、齒面損壞情況；復(fù)層鐵素體抽查，以判斷檢查剝離的重點(diǎn)。

檢驗(yàn)項(xiàng)目包括：原始資料審查、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、超聲檢測(cè)、衍射時(shí)差法TOFD、硬度測(cè)定、鐵素體含量測(cè)定、金相。

檢驗(yàn)內(nèi)容主要包括：

外壁：反應(yīng)器保溫局部拆除，對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行100% UT、100% TOFD、100% MT，對(duì)凸臺(tái)與基體結(jié)合進(jìn)行100 %UT；對(duì)嵌入式接管與筒體封頭的焊縫進(jìn)行100% UT、100% MT。

內(nèi)壁：對(duì)接管焊條電弧堆焊區(qū)及外延150 mm范圍內(nèi)進(jìn)行100% PT；總裝環(huán)焊縫及兩側(cè)各300 mm范圍進(jìn)行100% PT；凸臺(tái)可檢范圍進(jìn)行100% PT；對(duì)內(nèi)壁堆焊層硬度、金相組織檢測(cè)、鐵素體含量進(jìn)行檢測(cè)。

4 檢測(cè)結(jié)果

4.1 內(nèi)壁滲透檢測(cè)

對(duì)對(duì)接環(huán)焊縫堆焊層、凸臺(tái)堆焊層和接管堆焊層進(jìn)行了檢測(cè)，焊縫編號(hào)分別為B01、B1、B4、B6、A02、TT1、D1-D5、D7-D12，具體部位見(jiàn)圖1。

經(jīng)滲透檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)60余處超標(biāo)缺陷，為Ⅳ級(jí)缺陷，最長(zhǎng)60 mm。

4.2 理化檢驗(yàn)

取對(duì)接環(huán)焊縫筒體內(nèi)壁焊條電弧焊堆焊層、帶極堆焊層為檢驗(yàn)面；采用GB/T 17455—2008 《無(wú)損檢測(cè) 表面檢測(cè)的金相復(fù)型技術(shù)》標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)面機(jī)械拋光，王水溶液腐蝕，現(xiàn)場(chǎng)復(fù)膜制樣。采用GB/T 1954—2008 《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測(cè)量方法》進(jìn)行焊縫鐵素體測(cè)定。采用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》對(duì)堆焊層和帶極堆焊層進(jìn)行檢測(cè)。

圖1 加氫精制反應(yīng)器內(nèi)壁PT部位示意圖

取焊縫A02內(nèi)表面缺陷位置為檢驗(yàn)面，具體部位為A02-71筒體帶極堆焊、A02-7和A02-16焊條電弧堆焊層。

完好部位：A02上側(cè)的筒體內(nèi)壁帶極堆焊層表面（1#）、A02焊縫的筒體內(nèi)壁焊條電弧焊表面（2#）。

1）金相檢測(cè)

缺陷部位：３個(gè)檢查點(diǎn)顯微組織全部為奧氏體+δ鐵素體，裂紋為沿晶開(kāi)裂。

完好部位：２個(gè)檢查點(diǎn)顯微組織全部為奧氏體+δ鐵素體，金相合格。

2）鐵素體含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

3）硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。硬度滿足技術(shù)規(guī)范的要求（小于235HV），合格。

表2 鐵素體含量檢測(cè)結(jié)果

4.3 外壁無(wú)損檢測(cè)

4.3.1 MT結(jié)果

加氫精制反應(yīng)器AM、N4-1、N4-2、N4-3、N3、N2-1、N2-2、T1-T6、A02、B1、B2、B4、B6、B01焊縫經(jīng)磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果

4.3.2 UT結(jié)果

檢驗(yàn)部位與MT檢測(cè)處外，另對(duì)凸臺(tái)結(jié)合面進(jìn)行掃查。凸臺(tái)TT01-TT07經(jīng)超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。對(duì)同MT焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè), 共發(fā)現(xiàn)3處超標(biāo)缺陷。UT檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)B01、B1、B2、B4、B6共5條對(duì)接焊接接頭進(jìn)行了TOFD檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

4.3.3 硬度檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)里氏硬度計(jì)檢測(cè)，反應(yīng)器外壁焊接接頭及母材硬度均小于220HB，符合設(shè)計(jì)規(guī)范小于225HB的要求。

4.4 堆焊層厚度檢測(cè)

堆焊層厚度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 UT檢測(cè)結(jié)果

表5 堆焊層厚度測(cè)量結(jié)果

5 檢驗(yàn)結(jié)果及缺陷成因初步分析

加氫精制反應(yīng)器3處超標(biāo)缺陷位于過(guò)渡層與基體結(jié)合面。

1）堆焊層組織為奧氏體+δ鐵素體，組織正常。在缺陷部位，裂紋形態(tài)為枝晶間沿晶裂紋，奧氏體晶?；緸檫吘夆g化、圓形，無(wú)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)間較大的特點(diǎn)，說(shuō)明在焊接過(guò)程中焊材熔化，由液相轉(zhuǎn)化為固相時(shí)，冷卻速率較慢—過(guò)冷度較小，經(jīng)過(guò)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(lái)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線性和網(wǎng)狀晶間裂紋。

2）從焊縫鐵素體含量來(lái)看，缺陷處的耐蝕層鐵素體數(shù)FN普遍低于3，按技術(shù)規(guī)范要求，焊態(tài)下，耐蝕層鐵素體數(shù)應(yīng)為FN3～10。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(wú)缺陷部位的鐵素體含量，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)，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，提高焊縫的抗開(kāi)裂性能。無(wú)論從鐵素體儀的測(cè)定和金相組織來(lái)看，焊縫中鐵素體含量較低，結(jié)合金屬凝固特性，以及鐵碳合金相圖（圖2），E347L焊材的Cr/Ni比例約為2，焊縫液相凝固時(shí)，δ相首先由液相（L）中析出：L→δ，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)δ+L→γ；包晶反應(yīng)區(qū)間后，γ相開(kāi)始由δ相中析出：δ→γ，直至溫度降至1 325 ℃左右時(shí)，相變結(jié)束。由此，從凝固過(guò)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向γ相的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致鐵素體含量的降低，也就是在高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、冷卻速度較慢導(dǎo)致。

圖2 Fe-Cr-Ni三元合金相圖

3）焊接線能量的加大，將會(huì)導(dǎo)致焊縫中鐵素體含量降低，即電壓升高、電流加大，焊縫溫度升高，高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，液相流動(dòng)性好，便于焊縫成型，相變轉(zhuǎn)變完全，導(dǎo)致焊縫鐵素體含量降低。

4）抽查部位帶極堆焊層耐蝕層為1道，厚度4 mm左右，過(guò)渡層厚度大于3 mm，符合設(shè)計(jì)規(guī)范；焊條電弧堆焊的耐蝕層為2道或2道以上，總厚度普遍大于8 mm，部分部位達(dá)到12 mm以上，過(guò)渡層厚度大于3 mm，堆焊層厚度滿足設(shè)計(jì)規(guī)范。耐蝕層厚度過(guò)大雖然對(duì)設(shè)備無(wú)不良影響，但厚度大，表明堆焊的量大，出現(xiàn)缺陷的概率也同時(shí)變大，堆焊層殘余應(yīng)力偏高，易出現(xiàn)開(kāi)裂。

5）帶極堆焊層上少量缺陷都在靠近環(huán)縫處，疑為環(huán)縫焊條電弧堆焊時(shí)，對(duì)附近的堆焊層沒(méi)有作好保護(hù)，導(dǎo)致焊接飛濺、電弧等不良操作對(duì)帶極堆焊層造成了損傷。

6 結(jié)論與建議

焊接工藝控制不當(dāng)是導(dǎo)致開(kāi)裂的主要原因，裂紋為熱裂紋。

建議焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制線能量的輸入，多層多道焊，控制層間溫度和預(yù)熱溫度等焊接參數(shù)。控制熱處理溫度，避免超過(guò)上限。在滿足堆焊層總厚度的前提下，盡量減少耐蝕層的施焊道數(shù)，降低堆焊層的厚度。堆焊層返修時(shí)，做好對(duì)臨近堆焊層的保護(hù)。加強(qiáng)層間的清理工作，盡量減少層間的夾渣或其他污染缺陷。

［1］GB/T 30579—2014《承壓設(shè)備損傷模式識(shí)別》[S]. 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2014-05-06發(fā)布，2014-12-01實(shí)施．

［2］陳穎鋒.加氫精制反應(yīng)器的檢驗(yàn)與分析[J]. 壓力容器，2001，18（1）．

Inspection and Analysis of Hydrofining Reactor

,,,

（Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection & Testing Institute Co., Ltd., Dalian Liaoning 116013, China）

In the overall inspection of hydrofining reactor, ultrasonic thickness measurement, non-destructive testing and metallographic method were used to inspect and evaluate the equipment. Through the analysis of the test results, the damage modes of the hydrofining reactor were obtained, which could provide some reference for the design, manufacture and inspection of the hydrofining reactor.

Hydrofining reactor; Inspection; Damage modes; Analysis

2021-01-18

紀(jì)純明（1985-），男，滿族，工程師，碩士，遼寧省大連市人，2010年畢業(yè)于青島科技大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，研究方向：承壓設(shè)備檢驗(yàn)和研究。

TQ050.7

A

1004-0935（2020）03-0336-04