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        轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器缺陷分析與修復(fù)

        2022-03-27 08:48:26尹志剛
        石油化工建設(shè) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:筒體力學(xué)性能裂紋

        尹志剛

        中國(guó)石油化工股份有限公司北京燕山分公司 北京 102500

        轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器是制氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一。新疆塔河項(xiàng)目聯(lián)合制氫裝置的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器原設(shè)計(jì)中管箱部分沒(méi)有設(shè)置外保溫,但施工中管箱位置錯(cuò)誤地增加了外保溫,致使設(shè)備正常運(yùn)行數(shù)小時(shí)后,管箱15CrMoR 筒體由冷壁變成熱壁,筒體外側(cè)最高溫度達(dá)到700℃以上(管箱內(nèi)介質(zhì)溫度為830℃)。在內(nèi)壓力作用下,管箱15CrMoR 筒體鼓包并發(fā)生裂紋。

        1 設(shè)備簡(jiǎn)介

        轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的管箱主體材料為15CrMoR。轉(zhuǎn)化氣入口處采用UNS NO 8811 材料做過(guò)渡段,與管箱15CrMoR 筒體焊接。轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器屬于三類設(shè)備,管程和殼程的工作介質(zhì)分別為轉(zhuǎn)化氣和水、蒸汽;設(shè)計(jì)壓力分別為3.08MPa 和4.8MPa;設(shè)計(jì)溫度分別為300℃和262℃。管箱修復(fù)部分簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

        圖1 管箱修復(fù)部分簡(jiǎn)圖

        2 修復(fù)方案

        (1)根據(jù)損傷情況,保留件號(hào)2- 0 和件號(hào)6,將發(fā)生鼓包裂紋部分的筒體件號(hào)12 割下,并按原圖尺寸重新制作件號(hào)12 的筒體。

        (2)由于件號(hào)2- 0 及件號(hào)6 也可能發(fā)生損傷及變形, 故應(yīng)對(duì)它們的表面質(zhì)量進(jìn)行檢查, 并對(duì)內(nèi)外表面做PT 或MT 檢測(cè),測(cè)量厚度,要求實(shí)際厚度等于或大于計(jì)算厚度+ 腐蝕裕量。

        (3)檢查件號(hào)2- 0、件號(hào)6 和件號(hào)3- 0 的人孔內(nèi)壁的金相組織有無(wú)改變。

        (4)如件號(hào)2- 0 和件號(hào)6 外形發(fā)生改變,應(yīng)矯正使之與圖紙尺寸盡量一致。

        (5)在割除的件號(hào)12 筒體靠近與件號(hào)6 相接的端部上,分別取橫向及縱向試樣做力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)定,各項(xiàng)指標(biāo)要求達(dá)到表1 的規(guī)定。若各項(xiàng)指標(biāo)均合格,則可認(rèn)為保留的件號(hào)6 筒體材料的力學(xué)性能合格。

        (6)新制作的編號(hào)12 的筒體用32mm 厚的15CrMoR 代用。鋼板應(yīng)符合GB6654 的規(guī)定,采用電爐冶煉,使用狀態(tài)為正火+ 回火,鋼板要求按JB4730 做100%超聲檢測(cè),質(zhì)量等級(jí)應(yīng)不低于Ⅰ級(jí)。鋼板兩端按GB150 的規(guī)定削邊,使之與件號(hào)2- 0 及件號(hào)6 端部形狀一致[1]。該段筒體應(yīng)制作縱焊縫的焊接產(chǎn)品試板,試板應(yīng)作模擬熱處理,并按表1 的項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)性能符合要求。

        表1 試樣的力學(xué)性能指標(biāo)

        3 焊接修復(fù)過(guò)程難點(diǎn)分析

        管箱15CrMoR 筒體由撫順機(jī)械廠制作并焊完縱縫,消氫處理后,空運(yùn)到新疆塔河項(xiàng)目部。其最大的難點(diǎn)是管箱15CrMoR 筒體與過(guò)渡段UNS NO8811 錐體的焊接。15CrMoR 和UNS NO8811 在焊接特性上有較大的差異。Cr- Mo 屬珠光體耐熱鋼,在施焊過(guò)程中極易產(chǎn)生冷裂紋。預(yù)防冷裂紋的主要措施除嚴(yán)格選擇低氫型焊接材料,執(zhí)行烘干制度外,還必須在施焊前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱,施焊過(guò)程中保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度,以及焊后消氫處理和消除應(yīng)力熱處理[2]。而UNS NO8811 是以Cr- Ni 為基的高合金奧氏體耐熱鋼,在施焊過(guò)程中極易產(chǎn)生的焊縫區(qū)的熱裂紋。所謂熱裂紋是焊縫金屬?gòu)囊簯B(tài)凝固成固體時(shí),在凝固點(diǎn)以下的高溫區(qū)發(fā)生的裂紋。防止熱裂紋產(chǎn)生的方法,除了要選擇好焊接材料以外,還必須在施焊過(guò)程中減少熱量的輸入,盡量采用小的線能量,加快焊后的冷卻速度,控制較低的層間溫度,并在無(wú)特殊要求時(shí)不進(jìn)行焊后熱處理。此外,兩種材料在線膨脹系數(shù)等物理性能方面也相差甚遠(yuǎn),在組焊時(shí)造成較大的拘束度,從而增加焊接過(guò)程中熱裂紋產(chǎn)生的傾向[3]。15CrMoR 和UNS NO8811 化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表2 和表3。

        表2 15CrMoR的化學(xué)成分及力學(xué)性能

        表3 UNS NO8811 的化學(xué)成分及力學(xué)性能

        對(duì)兩種焊接性能差異較大的材料進(jìn)行焊接,在廠內(nèi)坡口經(jīng)機(jī)加工,焊接位置可借助轉(zhuǎn)胎全部采用平焊的情況下,都具有較大的難度。而在現(xiàn)場(chǎng)組焊時(shí),坡口是用碳弧氣刨出來(lái)的,極不規(guī)則,有的地方甚至刨出了雞蛋大小的坑;焊接位置又只能是橫焊,再加上工期緊,加大了焊接難度。另一方面,由撫順機(jī)械廠焊接的管箱15CrMoR筒體空運(yùn)到后,筒體與過(guò)渡段UNS NO8811 錐體相接的環(huán)縫已開(kāi)好單面V 形外坡口,而項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)采用X形坡口;焊接時(shí)先焊里口,然后打磨外口,再焊接外口。這也給焊接也帶來(lái)一定困難。

        4 修復(fù)方案的制定

        (1)由于管箱15CrMoR 筒體與過(guò)渡段UNS NO8811 錐體相接的環(huán)縫已開(kāi)好單面V 形外坡口,所以UNS NO8811 錐體環(huán)縫的坡口只能按15CrMoR 筒體的坡口形式打磨。但此臺(tái)轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器為三類容器,為保證焊接質(zhì)量,要求兩側(cè)筒體均在里口側(cè)打磨出一個(gè)6mm 的小坡口,焊接時(shí)可采用外口清根的雙面焊,以保證焊接質(zhì)量[4]。

        (2)管箱15CrMoR 筒體與人孔筒節(jié)采用K 形坡口形式,焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。焊前焊接坡口表面均需進(jìn)行100%PT 或MT 檢測(cè)。焊接材料采用經(jīng)工藝評(píng)定合格的ENiCrFe- 2 焊條,其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表5。管箱15CrMoR 筒體與過(guò)渡段UNS NO8811 錐體的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

        表4 15CrMoR之間焊接的焊接工藝參數(shù)

        表5 焊條EniCrFe- 2 化學(xué)成分及力學(xué)性能

        (3)由于UNS NO8811 錐體的坡口是氣刨的,打磨后仍極不規(guī)則。焊前要把氣刨產(chǎn)生的坑堆焊起來(lái)。由于UNS NO8811 高溫耐熱合金易產(chǎn)生熱裂紋,焊接時(shí)要求控制層間溫度,并采用小焊接線能量直道焊進(jìn)行多層多道焊。因此,為節(jié)省時(shí)間,焊接時(shí)采用水冷以提高效率。

        (4)考慮到15CrMoR 筒體與過(guò)渡段UNS NO8811錐體焊接性有較大差異,現(xiàn)場(chǎng)組隊(duì)條件較差。因此,在與UNS NO8811 錐體相焊的15CrMoR 筒體側(cè)堆焊一個(gè)6mm 的過(guò)渡層。堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

        表6 15CrMoR側(cè)堆焊過(guò)渡層及15CrMoR與UNS NO8811 之間的焊接工藝參數(shù)

        (5)15CrMoR 筒體側(cè)堆焊過(guò)渡層后,現(xiàn)場(chǎng)利用滑輪把15CrMoR 筒體與UNS NO8811 錐體進(jìn)行組對(duì)。組對(duì)后發(fā)現(xiàn),由于坡口極不規(guī)則,兩筒體之間間隙大小不均勻,最大間隙達(dá)10mm,最大錯(cuò)邊達(dá)10mm,無(wú)法保證焊接質(zhì)量[4]。為此,根據(jù)間隙的大小,在筒體上做出標(biāo)記,即畫(huà)出每段需要堆的高度。然后,把UNS NO8811 錐體取下,在UNS NO8811 錐體與15CrMoR 筒體相焊的一側(cè)按照標(biāo)記進(jìn)行堆焊。堆焊后,利用滑輪把UNS NO8811 錐體與15CrMoR 筒體進(jìn)行組對(duì)。

        (6)經(jīng)過(guò)堆焊后,兩筒體的間隙大小基本接近,開(kāi)始在外側(cè)進(jìn)行點(diǎn)焊,再焊接里口焊縫。

        (7)由于UNS NO8811 高溫耐熱合金易產(chǎn)生熱裂紋,清根應(yīng)采用砂輪打磨。如果仍按通常的程序,采用砂輪打磨,那該道焊縫打磨至少需要3d。為保證工期,使用碳弧氣刨在外側(cè)先刨一下后,再使用砂輪打磨。

        (8)因碳弧氣刨熱量較大并使焊縫增碳,氣刨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)確有裂紋發(fā)生。因此,打磨時(shí)仔細(xì)檢查,對(duì)每一個(gè)認(rèn)為可能的缺陷都要認(rèn)真打磨,目測(cè)無(wú)缺陷后再進(jìn)行100%PT 檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)缺陷后,重新打磨后再進(jìn)行PT 檢測(cè),直至無(wú)缺陷為止。

        (9)焊接外側(cè)焊縫。施焊完畢后,對(duì)焊縫部位進(jìn)行100%射線檢驗(yàn),檢測(cè)結(jié)果為100%一級(jí)片一次合格。

        5 結(jié)論

        雖然15CrMoR 與UNS NO8811 兩種材料的焊接性能差異很大,尤其在現(xiàn)場(chǎng)操作條件較差,使焊接難度更大的情況下。但只要采取有效的措施加以控制,完全可以保證焊接質(zhì)量,新疆塔河項(xiàng)目聯(lián)合制氫裝置轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的修復(fù)也證明了這點(diǎn)。由于措施得當(dāng),使修復(fù)工作一次完成,為新疆塔河項(xiàng)目聯(lián)合制氫裝置的開(kāi)車爭(zhēng)取了時(shí)間。

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