司海濤

(中國石化中原石油化工有限責任公司，河南 濮陽 457000)

347H反應器所在裝置是全國首套S-MTO示范裝置，裝置設計能力60萬t/a(以甲醇進料計)，操作時間為8 000 h/a，目標產物為聚合級乙烯10.61萬t/a，聚合級丙烯9.94萬t/a。該反應器為熱壁式設計，采用快速流化床，分為上、下兩部分，筒體、封頭材質均為347H，內徑8 200 mm/5 240 mm/4 550 mm，筒體厚度18 mm/24 mm/30 mm，封頭厚度24 mm，反應器總高46 506 mm。襯里為龜甲網(wǎng)式高耐磨澆注料襯里，厚度為25 mm，外保溫材質為硅酸鋁，厚度為200 mm。反應器設計壓力0.35 MPa，工作壓力0.155～0.175 MPa，設計溫度520 ℃，正常運行溫度470～490 ℃，工作介質為產品氣、催化劑；容器類別為Ⅱ類。反應器采用分片組焊方式現(xiàn)場制造安裝，設計年限為20年，從2011年10月投用起至2017年9月裂紋發(fā)現(xiàn)，運行近6年，期間工藝操作指標良好，設備整體運行正常。2017年9月發(fā)現(xiàn)封頭焊縫開裂，開裂位置見圖1。

圖1 封頭環(huán)焊縫開裂位置

1 反應器缺陷及處理措施

1.1 缺陷首次發(fā)現(xiàn)過程及應對處理措施

2017年9月15日15:00，裝置外操人員在對反應器運行巡檢過程中，發(fā)現(xiàn)反應器頂層異味很大，封頭西南側附近保溫皮顏色異常(焦黑)，用LDAR儀器運行檢測，結果顯示為17 953 mg/L，屬于嚴重泄漏。

2017年9月28日，將硅酸鋁保溫層拆除后，發(fā)現(xiàn)上封頭西南側環(huán)焊縫BF1出現(xiàn)長約200 mm、寬1～2 mm的裂紋。利用專用工具沿泄漏裂紋外邊緣進行沖壓，使其發(fā)生塑性變形，使得裂紋間隙密合之后采用捻縫技術消除漏點，泄漏的帶壓力介質隨著捻縫的進行而逐漸變小，直至消除漏點。消漏完成后進行焊接補強，最后對補強焊縫(見圖2)進行井字筋加固(見圖3)。

圖2 在線捻縫、補強情況

圖3 井字筋加固情況

1.2 2018年5～7月大修缺陷檢驗及處理情況

1.2.1 檢驗概況

本次大修期間共發(fā)現(xiàn)2類缺陷：A類是距2017年9月發(fā)現(xiàn)的反應器頂部封頭環(huán)焊縫裂紋(見圖4)600 mm處存在第二條未貫穿裂紋(長280 mm，寬1～2 mm)；B類是發(fā)現(xiàn)的多處微裂紋，大部分集中在焊縫上，其中內壁30處，外壁81處。

1) 外壁檢驗。外壁焊縫共檢驗385 m，約占總焊縫量77%，共發(fā)現(xiàn)缺陷81處。其中72處深度為1～3 mm，打磨消除，無需補焊；9處打磨深度為3～9 mm，打磨消除后需進行補焊處理。

2) 內壁檢驗。內壁焊縫共檢驗52 m，約占總焊縫量約9%，共發(fā)現(xiàn)缺陷30處，均打磨消除。

1.2.2 缺陷處理措施

處理措施大體分為2類。一類是對頂封頭環(huán)焊縫內、外裂紋部位的處理，另一類是對微裂紋的處理。具體處理方式如下：

1) 頂封頭環(huán)焊縫內、外裂紋處理措施

a) 缺陷情況。對2018年5月大檢修期間發(fā)現(xiàn)的內壁裂紋焊縫(未貫穿)進行整體切割取樣分析，取樣尺寸為80 mm×405 mm，現(xiàn)場切痕為110 mm×480 mm；2017年9月發(fā)現(xiàn)的外壁焊縫裂紋(長200 mm、寬1～2 mm)已用井字筋加固。

b) 處理措施。對取樣形成的110 mm×480 mm切痕采用等離子槍進行擴孔，然后用同材質的鋼板進行補孔焊接，裂紋焊縫取樣部位補板修復前后對比見圖5；對2017年9月發(fā)現(xiàn)的裂紋長度為200 mm處的焊縫采用專用砂輪片將焊縫及缺陷部位清除，再次進行滲透檢測確認缺陷長度后進行焊接修復。

以上2處焊接完成24 h后，對修復和補板焊縫進行100%射線檢測，焊縫質量符合Ⅱ級要求，結果合格；對清根打磨后的焊縫表面進行滲透檢測，焊縫質量符合Ⅰ級要求，結果合格。

2) 微裂紋的處理措施

a) 深度<3 mm的裂紋直接打磨消除缺陷并保證圓滑過渡；

b) 深度超過3 mm的裂紋有10處，打磨至缺陷消除后再進行補焊修復。

2 焊縫開裂影響因素分析

2.1 母材及焊材

2.1.1 化學成分含量

該反應器封頭所用母材347H的交貨狀態(tài)為固溶酸洗；焊條材質為E347H-16不銹鋼。其主要化學成分含量(質量分數(shù))見表1，通過與《ASTM A240/A240M 用于壓力容器和一般用途的鉻和鉻-鎳不銹鋼鋼板、薄鋼板和帶鋼的標準規(guī)范》及JB/T 4747—2002《壓力容器用鋼焊條訂貨技術條件》比較發(fā)現(xiàn)【1】，其化學成分含量符合標準要求。

表1 反應器用母材和焊材化學成分(質量分數(shù))

2.1.2 晶粒度

晶粒度是表示晶粒大小的尺度。晶粒大小是影響金屬材料性能的重要因素之一。一般來說，晶粒越細，金屬材料的強度、硬度越高，塑形、韌性越好。因為晶粒越細，晶界越多、越曲折，晶粒與晶粒之間咬合的機會就越多，晶粒結合力就越強，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展。

圖6為晶粒尺寸對材料屈服強度和抗拉強度的影響。由圖6可以看出，屈服強度(σs)及抗拉強度(σb)與晶粒尺寸的-1/2次方成正比。

圖6 晶粒大小對材料強度的影響

圖7為晶粒尺寸與延伸率的關系。由圖7可以看出，隨著晶粒尺寸的減小，延伸率增加。這表明隨著晶粒細化，在強度提高的同時，塑性也是提高的，因此，材料的韌性大幅度提高【2】。

圖7 晶粒大小對延伸率的影響

晶粒度大小對材料性能的影響很大，主要表現(xiàn)在塑性和蠕變等方面。特別是在高溫使用情況下，為了降低高溫蠕變，一般需要采用大晶粒。ASTM標準規(guī)定H型奧氏體鋼應符合ASTM No.7或更粗的平均晶粒度【1】。查看反應器原始質量文件得知，反應器所用347H母材為國產鋼材，含有晶粒度>7的情況，由此可見，反應器部分母材晶粒度達不到相關標準要求。表2為反應器所用鋼材晶粒度等級情況。

表2 反應器347H鋼材晶粒度等級

2.2 焊接殘余應力

2.2.1 焊接殘余應力的概念

不銹鋼在焊接和冷卻過程中，其局部會形成一個很不均勻的溫度場，由于膨脹和收縮的程度及速度不同，溫度場內各部分鋼材的變形相互制約，產生了不可逆轉的塑性變形，導致焊件在冷卻后，其上仍然存在著殘余應力，即焊接殘余應力。焊接殘余應力包括沿焊縫長度方向的縱向焊接應力、垂直于焊縫長度方向的橫向焊接應力和沿厚度方向的焊接應力。

2.2.2 焊接殘余應力產生的原因及影響因素

之所以會產生焊接殘余應力，主要是由于焊件在焊接過程中所受到的加熱是不均勻的。按照焊接殘余應力的發(fā)生來源，可將其分為直接應力、間接應力和組織應力3種【3】。

1) 直接的焊接應力是焊接殘余應力產生的最主要原因，它是由于受到不均勻的加熱和冷卻之后而產生的，根據(jù)加熱和冷卻時的溫度梯度而發(fā)生變化。

2) 間接的焊接應力則是由于焊件焊前的加工狀況造成的應力，比如焊件在受到軋制或拉拔時會產生一定的殘余應力。而焊件在被焊接時易產生直接焊接應力，間接的殘余應力如果在某種場合下疊加到直接焊接應力上，則會產生更大的焊接殘余應力。

3) 組織應力是由相變造成的比容(單位質量的物質所占有的容積)變化而產生的應力，它的產生是由于焊件的組織發(fā)生了變化。

總之，焊接會導致焊接接頭處產生殘余應力。焊接殘余應力對焊接結構的剛度、疲勞強度、應力腐蝕開裂均會產生影響，且其沒有明顯外觀表征，在未加載荷或外部缺陷出現(xiàn)前，焊接接頭在宏觀方面仍能保持一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，但它的存在會對焊接結構性能造成不良影響。按照設計要求，該反應器焊接接頭未做焊后熱處理，因此焊縫殘余應力無法消除，這是造成服役期間焊縫開裂的原因之一。

2.3 殘余擴散氫

焊縫金屬中的氫主要來源于焊接原材料中的水和其他含氫物質。水在1 500 ℃以上即可分解出氫，焊接時電弧可產生高達5 000～6 000 ℃的高溫，電弧氣氛中又存在各種帶電離子，因此原材料或環(huán)境中的水在高溫及電弧作用下很容易分解生成氫原子或氫離子等進入焊縫金屬。

氫在鋼中的溶解度與壓力、溫度的關系服從Sievert方程【4】。根據(jù)方程，溫度越高，氫的溶解度越大，隨著溫度降低，氫在鋼材中的可溶性慢慢降低，在焊縫金屬中由內而外聚集擴散。

焊縫中的氫不斷擴散聚集，在應力作用下會導致焊縫敏感組織(熔合區(qū)、熱影響區(qū))產生氫致裂紋，影響焊接接頭的力學性能【5】。因為氫的擴散聚集可能需要很長一段時間，這也就會導致擴散氫造成的裂紋延遲出現(xiàn)，從而對正在服役的焊接結構及焊接接頭性能產生影響。

擴散氫局部集結與應力集中及組織不均勻性有密切關系。有研究表明，焊接接頭的熔合區(qū)和熱影響區(qū)中的粗晶區(qū)與細晶區(qū)交界處存在擴散氫聚集，因此熔合區(qū)和熱影響區(qū)是擴散氫最易聚集的地方，導致此處出現(xiàn)局部高壓區(qū)和高應變區(qū)，容易引起焊縫產生延遲開裂現(xiàn)象。

2.4 焊縫鐵素體含量

對于奧氏體不銹鋼，理論上其常溫組織應該全部為奧氏體組織，但在實際生產冷卻過程中總會產生一定量的殘余鐵素體，再加上焊接帶來的影響，焊縫中鐵素體相的含量會進一步增加。

有工程經驗表明：當奧氏體不銹鋼應用于450 ℃及以上時，應控制其鐵素體含量在6%～8%之間【6】。如果奧氏體不銹鋼中的鐵素體含量偏大，會產生脆性相，從而導致材料的性能變化。鐵素體相在400～500 ℃溫度范圍內長時間時效時會產生嚴重脆化，使鋼材硬度顯著升高，可顯著降低鋼的塑性和韌性。該反應器的正常工作溫度為470～490 ℃，在鐵素體相發(fā)生嚴重脆化的溫度范圍內。

表3為反應器焊接試板焊縫鐵素體數(shù)檢測情況。從表3中不難發(fā)現(xiàn)，樣品中存在鐵素體含量偏高的情況，這會對反應器后續(xù)使用帶來一定影響。

表3 反應器焊接試板焊縫鐵素體數(shù)檢測

3 結論與建議

1) 母材晶粒度偏大、焊接殘余應力過大、殘余擴散氫濃度偏高、焊縫鐵素體含量偏高等都有導致焊接接頭應力增大的可能，隨著時間的延長，當松弛應變超過材料的蠕變塑性時，就會導致反應器封頭焊縫在高溫服役期間產生再熱裂紋。

2) 該反應器操作溫度470 ℃，已運行近6年多，材質為347H，封頭壁厚為24 mm。根據(jù)現(xiàn)場觀察，開裂焊縫存在強制組對現(xiàn)象，而且由于反應器是現(xiàn)場進行組對安裝，所以在組對焊接之后無法進行熱處理，從而導致該部位存在較高的殘余應力水平，助長了焊縫開裂。

3) 基于反應器現(xiàn)狀，建議盡快更換新的反應器。參考國外UOP公司經驗，新反應器母材可以考慮使用304H，但該材料抗甲酸晶間腐蝕能力比347H稍差，且中天合創(chuàng)、久泰、斯爾邦等幾套裝置采用304H的制造的反應器應用時間不足3年，長時間運行有待進一步驗證。

4) 對修復后的反應器應采取嚴密的運行監(jiān)控措施，制定事故應急預案并進行定期演練，嚴防突發(fā)事故；平穩(wěn)操作，盡量避免操作過程中緊急停車或者反復開停車，以減少反應器壁冷熱交替。

5) 對于高溫條件下服役的高碳型奧氏體不銹鋼347H，為降低或者避免焊縫在高溫下產生應力松弛裂紋的風險，應從焊接材料選擇、結構及應力設計、焊接工藝過程、焊縫質量評定、制造及安裝過程質量驗收等方面加以研究，主要關注點如下：

a) 焊接材料優(yōu)先選擇蠕變塑性及抗熱疲勞性能較好的焊接材料，控制熔敷金屬中碳含量及鐵素體含量。

b) 優(yōu)化結構設計，特別關注母材中結構、厚度或材料發(fā)生變化的部位，合理設置母材導向，合理選擇焊接順序，盡量避免應力集中。

c) 制造及安裝過程中，避免強行組對。制造或者施工安裝過程中，應特別關注容易產生應力集中的部位，盡量減小焊縫處的焊接殘余應力。

d) 焊前預熱和焊后緩冷。應用焊接之前預熱構件的方法減少焊接過程中焊縫區(qū)和其他區(qū)域的溫度差異；焊后減慢焊縫區(qū)域的冷卻速率，使焊縫的冷卻速率和其他區(qū)域同步，以達到減少焊接殘余應力和變形的目的。

e) 嚴格按照焊接質量驗收標準對焊縫進行無損檢測和質量驗收，不允許存在裂紋、未熔合、未焊透情況。