姜雪江

（中國石化揚(yáng)子石化分公司煉油廠設(shè)備管理科，江蘇 南京 210048）

揚(yáng)子石化公司煉油廠油品車間液化氣球罐G831始建于1994年11月，由廣州重型機(jī)器廠制造，中化集團(tuán)第三建設(shè)公司負(fù)責(zé)承建現(xiàn)場安裝，于1995年5月投入使用，具體參數(shù)見表1。該球罐主要作為催化裂化C4液化氣儲(chǔ)罐，存儲(chǔ)過合格和不合格液化氣，特別是近幾年以來隨著煉制高硫高酸原油，該儲(chǔ)罐存儲(chǔ)過H2S含量高達(dá)7000ppm以上的不合格液化氣，給該球罐的安全運(yùn)行帶來極大的隱患。球罐運(yùn)行到期對(duì)該罐進(jìn)行了全面檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)外壁焊縫熱影響區(qū)存在54條裂紋。對(duì)該球罐檢修和裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行總結(jié)和分析。

表1 G831設(shè)計(jì)參數(shù)

1 球罐裂紋缺陷分布

委托江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院對(duì)G831進(jìn)行了全面檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)外壁下溫帶焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了35條裂紋，內(nèi)壁下赤道帶焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了19條裂紋，西北側(cè)C6、C7、C8靠近裂紋處母材中度3.5級(jí)球墨化。G831球罐靠近裂紋處母材（16MnR）現(xiàn)場外壁不同部位金相組織200X如圖1所示，磁粉探傷焊縫編號(hào)如圖2所示，C-D焊縫放大示意圖如圖3所示（單位mm），其中C-D焊縫放大示意圖中的粗線代表裂紋位置，編號(hào)C11、C20裂紋位置圖如圖4所示。

圖1 球罐外部裂紋金相組織200X形貌圖

圖2 球罐外部磁粉探傷焊縫編號(hào)

圖3 C-D焊縫放大示意圖

圖4 編號(hào)C11、C20裂紋位置圖

內(nèi)壁不同部位磁粉探傷焊縫編號(hào)如圖5所示，B-C焊縫放大示意圖如圖6所示（單位mm），其中B-C焊縫放大示意圖中的圓點(diǎn)代表裂紋位置。球罐內(nèi)部裂紋形貌如圖7所示。

圖5 球罐內(nèi)壁磁粉探傷焊縫編號(hào)

圖6 B-C焊縫放大示意圖

圖7 球罐內(nèi)部裂紋位置圖

2 裂紋缺陷分析

材料的球墨化是在高溫的作用下產(chǎn)生的，常用16MnR材料滲碳組織的石墨化轉(zhuǎn)變是在450-550℃左右的溫度且溫度變化較快的條件下開始進(jìn)行的，而G831使用溫度一般在40℃以下，從檢測結(jié)果來看，球罐母材球墨化發(fā)生在極板C6、C7和C8處，而這幾處的極板位置正好在球罐的西北方向。該球罐是從1994年11月開始安裝，1995年5月投入使用?？v觀整個(gè)安裝周期均在冬季進(jìn)行，而南京地區(qū)在冬季降溫時(shí)常受西北風(fēng)的影響，可以推測出該球罐在做熱處理時(shí)，熱處理的處理溫度和保溫的溫降速率有可能受到冷空氣的影響，致使溫降過快，導(dǎo)致靠西北側(cè)的極板在焊縫熱影響區(qū)的母材出現(xiàn)球墨化，并且焊接應(yīng)力未完全消除，球罐的外裂紋在西北側(cè)附近出現(xiàn)的比較多，故母材的球墨化應(yīng)該是在設(shè)備制造過程中造成的。查閱《化工機(jī)械工程手冊(cè)》得知材料的球墨化材料常溫下的抗拉強(qiáng)度δb和屈服強(qiáng)度δa會(huì)降低，查手冊(cè)得知中度球墨化強(qiáng)度指標(biāo)降低10%～15%。

該球罐在近期存儲(chǔ)過H2S濃度高達(dá)7000ppm以上的不合格液化氣（球罐的最大允許H2S濃度＜50mmp），同時(shí)隨著煉制高硫高酸原油，空氣中SO2和H2S含量也比過去較高。對(duì)于處在溶液中的鋼材，溶液的PH值越低，發(fā)生氫脆的傾向就越大，在含H2S的環(huán)境中不同形式的H2S對(duì)滲氫的作用也不同，依次為：H2S＞HS＞S2-。由于球罐存儲(chǔ)液化氣時(shí)液化氣帶水，球罐在濕H2S以及環(huán)境中的酸雨和大氣中H2S和焊縫熱影響區(qū)的應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生裂紋。在氫致應(yīng)力開裂的過程中，氫是沿著濃度梯度或應(yīng)力梯度的方向局部區(qū)域自由擴(kuò)散和聚集，當(dāng)局部區(qū)域的氫濃度達(dá)到某個(gè)極限時(shí)開裂就會(huì)發(fā)生。

從檢測的結(jié)果來看，裂紋均產(chǎn)生在球罐儲(chǔ)存物料易產(chǎn)生濕H2S的下半部，以及在該球罐檢修的初期，由于未做前期消氫處理，在裂紋打磨和補(bǔ)焊的過程中又產(chǎn)生了新的裂紋。調(diào)整檢修方案后，對(duì)裂紋安排做打磨補(bǔ)焊前的消氫處理解決了這個(gè)問題，這也就充分驗(yàn)證了球罐的裂紋是由氫脆引起的。

氫脆與環(huán)境溫度的關(guān)系較為密切，鋼材的氫脆僅在-100～150℃之間的溫度范圍發(fā)生，而在-30℃～30℃溫度范圍內(nèi)材料的氫脆敏感性最高，而該球罐的工作溫度恰恰在這溫度區(qū)間內(nèi)。

3 裂紋處理及修復(fù)

3.1 焊前處理

先對(duì)需要打磨處的裂紋進(jìn)行電加熱預(yù)熱250℃消氫處理，以防止在打磨時(shí)裂紋擴(kuò)展或產(chǎn)生新的裂紋。對(duì)裂紋缺陷用電動(dòng)磨光機(jī)進(jìn)行打磨，直至裂紋完全打磨干凈，對(duì)打磨處進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，直至合格。針對(duì)最深的兩道裂紋，打磨結(jié)束后對(duì)其進(jìn)行X光機(jī)拍片檢測，直至合格。

3.2 焊接

徹底清除著色后的臟物，施焊前電加熱預(yù)熱150℃，采用J507焊條焊接，使用前烘干350～400℃，冷卻至100～150℃放入保溫筒。

焊接接頭時(shí)先完成各焊層后再熔敷后續(xù)焊層，禁止分段多層焊。各焊道焊接完成后，清除焊渣和夾渣之后再進(jìn)行下一焊縫的焊接，焊后打磨焊縫與母材基本平齊。

3.3 焊后熱處理

（1）焊接完成后立即用陶瓷遠(yuǎn)紅外加熱墊進(jìn)行熱處理，焊后熱處理溫度控制采用型號(hào)為WDK-240電腦溫度控制柜，溫度控制范圍為0～1100℃，控制精度為±1℃，控制回路為12個(gè)，配有XWFJ-300自動(dòng)平衡記錄儀一臺(tái)。根據(jù)相應(yīng)熱電偶傳來的溫度指示值自動(dòng)控制工件的溫度。感溫元件選用K-001M表面熱電偶絲，銅-康銅補(bǔ)償導(dǎo)線（2×1.5mm2）并與電腦溫度控制柜相連。

（2）熱電偶布置在焊道上且緊貼在焊道上，為防止加熱器對(duì)熱電偶直接加熱，因此在熱電偶上放了一些保溫棉，每道焊縫放置一支熱電偶，共使用了六個(gè)熱電偶。

（3）熱處理曲線由電腦溫度控制柜設(shè)定生成，并在熱處理標(biāo)準(zhǔn)記錄紙中反應(yīng)熱處理曲線。局部熱處理：對(duì)補(bǔ)焊處加熱，溫度為620±5℃，靠近加熱區(qū)的部位采取保溫措施，保溫時(shí)間不少于1.5小時(shí)。熱處理數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 G831熱處理工藝

（4）熱處理后對(duì)補(bǔ)焊處進(jìn)行100%X射線探傷和硬度檢測，直至焊接合格。

3.4 檢修后強(qiáng)度試驗(yàn)

因球罐裝載的液化氣比重比水輕很多，如全用水壓試驗(yàn)有恐設(shè)備基礎(chǔ)無法承受，依據(jù)《特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》4.7.8的規(guī)定，采用氣液混合耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 G831氣液混合耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試壓前，檢查球罐各連接部位的緊固螺栓，是否裝配齊全，緊固妥當(dāng)。用工業(yè)水進(jìn)行充水至5m，充水完畢后，開始充氮?dú)猓徛M(jìn)行升壓。先緩慢升壓至0.1MPa，保壓5~10min，對(duì)焊縫和連接部位進(jìn)行初次檢查，無泄漏繼續(xù)升壓至0.5MPa。無異常開壓縮機(jī)升壓至試驗(yàn)壓力1.13MPa，保壓1小時(shí)后檢查壓力是否下降。檢驗(yàn)結(jié)束后用氮?dú)鈱⑺畨撼霾⒋蹈伞?/p>

3.5 球罐的安全評(píng)估

球罐的裂紋消除補(bǔ)焊，所有的焊封均做100%X射線探傷，檢測結(jié)果顯示該球罐的缺陷已處理完畢。但由于該球罐母材球墨化影響鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)，是否滿足原設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)該球罐的強(qiáng)度進(jìn)行重新校核。

δ=[PD/(4[σ]tψ-P)]+C

式中 δ——球罐壁厚，mm；

P——設(shè)計(jì)壓力，Mpa；

D——球殼內(nèi)徑，mm；

[σ]t——許用應(yīng)力，Mpa；

ψ——焊縫系數(shù)；

C——厚度附加量，mm。

查表所得：16MnR材料設(shè)計(jì)溫度50℃下材料的許用應(yīng)力[σ]t=163Mpa；設(shè)計(jì)壓力P=1.625MPa；球殼內(nèi)徑D=12300mm；球罐壁厚δ=34mm；雙面焊鋼材的焊縫系數(shù)取ψ=1，代入數(shù)值解得厚度附加量C=3.268mm。取母材球墨化強(qiáng)度下降15%得[σ]t=138.55Mpa，代入公式解得：P=1.38Mpa。

經(jīng)核算目前的許用壓力非常接近該球罐的工作壓力1.36Mpa，存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)省特檢院的通知要求，為此特申請(qǐng)進(jìn)行了技術(shù)變更，操作壓力控制在0.9Mpa以下，安全閥起跳壓力調(diào)整到1.0MPa，確保球罐的安全運(yùn)行。

4 總結(jié)

調(diào)整球罐最大操作壓力，重新整定安全閥的起跳壓力，確保球罐的本質(zhì)安排。做好球罐的內(nèi)外防腐，減少H2S對(duì)設(shè)備本體的影響?？刂坪们蚬捱\(yùn)行時(shí)的操作壓力，嚴(yán)禁超壓運(yùn)行。定期分析液化氣中H2S的濃度，盡可能避免超標(biāo)H2S進(jìn)入球罐。一旦球罐內(nèi)H2S的濃度超標(biāo)，可采用氮?dú)庵脫Q，避免采用水洗的方式進(jìn)行處理。對(duì)焊縫按要求定期安排檢查。