康鴻雁 張麗麗 李世紅

北京燕華工程建設(shè)有限公司 北京 102502

北京燕山分公司煉油部延遲焦化裝置焦炭塔（C－2101/ 1）（設(shè)計參數(shù)見表1），塔體材質(zhì)采用低合金珠光體耐熱鋼14Cr1MoR。因原油含硫量偏高，第四段以上主體材質(zhì)選用復(fù)合鋼板14Cr1MoR＋0Cr13(TP410S)。2007 年建成投入使用，2013 年內(nèi)外檢定無缺陷，2016 年6 月煉化大檢修過程中未作檢驗，2021 年4 月在煉化大檢修時對其進行定期檢驗，檢驗過程中在其內(nèi)部的B7、B8 環(huán)焊縫處通過滲透無損檢測發(fā)現(xiàn)細而長的沿焊縫熔合線延伸的單一線狀裂紋，呈斷續(xù)分布在整圈環(huán)焊縫上，有的單條裂紋長度已達到了數(shù)米，如果返修工藝制定和控制不當，修復(fù)后，很有可能再次出現(xiàn)冷裂紋和再熱裂紋?？紤]到焦炭塔自身材質(zhì)特殊，焊接工藝復(fù)雜，又面臨檢修工期緊，天氣炎熱，長期使用后內(nèi)部結(jié)焦嚴重，作業(yè)條件艱苦等諸多不利因素，本文從裂紋原因分析、焊接修復(fù)、熱處理等角度闡述了如何通過短時間內(nèi)確定出的安全、優(yōu)質(zhì)而高效的裂紋返修工藝，攻克焦炭塔修復(fù)的技術(shù)難題，確保焦炭塔修復(fù)合格后可以按期投入使用，且使用周期至少達到4年。

表1 焦炭塔設(shè)計參數(shù)

根據(jù)焦炭塔C- 2101/ 1 的實際工況及原有的交工資料基礎(chǔ)上，規(guī)劃合理的焊接工藝，用于解決現(xiàn)場焊接修復(fù)難題。

1 焦炭塔缺陷原因分析

通過目視檢測和PT 檢測，焦炭塔整圈環(huán)縫即使在同一截面變形也不均勻，存在橢圓度，其中北側(cè)局部變形最為嚴重，焦炭塔膨脹變形見圖1。

圖1 焦炭塔現(xiàn)場測量膨脹變形圖

發(fā)現(xiàn)焦炭塔（C2101- 1）裂紋缺陷主要出現(xiàn)在B7、B8兩圈環(huán)焊縫（詳見圖2），沿環(huán)向整圈焊縫熔合線多處開裂，長短不一，下熔合線更為嚴重，其中最長一條長達3600mm，但深度不超過15mm，所示具體數(shù)據(jù)詳見列表2。

表2 焦炭塔裂紋情況

圖2 C2101- 1 裂紋目視檢測圖 C2101- 1 裂紋PT檢測圖

從圖1、圖2 和表2 可見，此焦炭塔的變形和開裂情況十分嚴重。

經(jīng)查閱焦碳塔制造、安裝和歷年修復(fù)記錄，結(jié)合材料特性，認為其缺陷產(chǎn)生的原因如下：

（1）焦炭塔由于工藝條件苛刻，操作工況復(fù)雜，溫度從環(huán)境溫度到450- 495℃再降到常溫，溫度變化范圍大且頻繁。經(jīng)計算，焦炭塔到495℃時縱向膨脹量約150mm～200mm，橫向膨脹量約53～60mm。在塔體內(nèi)將產(chǎn)生不均勻的熱應(yīng)力，反之，冷卻時又將收縮。在每一個循環(huán)周期，塔高和直徑的伸縮將導(dǎo)致塔壁膨脹，并造成局部應(yīng)力過大處的疲勞裂紋。

（2）在升溫和降溫過程中，由各部不同的溫度產(chǎn)生的熱變形不一致，產(chǎn)生相互約束和牽制，高溫區(qū)受壓，低溫區(qū)受拉。和上面所述的約束所引起的熱應(yīng)力疊加，形成一個十分復(fù)雜的不均衡的應(yīng)力場[1]。

（3）由于生產(chǎn)工藝調(diào)整，縮短生焦周期，導(dǎo)致溫度變化更加劇烈，熱疲勞和塑性降低導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

（4）該裝置長期攙煉高硫原油，原料腐蝕較為嚴重。檢查時，塔內(nèi)壁有坑蝕跡象，且有沖刷痕跡，實測最小壁厚29.1mm，焊縫兩側(cè)尤為明顯，即使在內(nèi)部應(yīng)力完全消除的情況下，最終也會導(dǎo)致焊縫下部熱影響區(qū)處于應(yīng)力腐蝕開裂[2]。

（5）歸結(jié)一點，焦炭塔長期處于高溫下工作，受到充焦和除焦的交替作用，塔體受到冷熱疲勞、軸向和縱向溫差引起局部塑性變形，在熱棘輪效應(yīng)、熱疲勞、溫差應(yīng)力、敏化區(qū)含硫環(huán)境下及熱疲勞耦合作用下產(chǎn)生開裂。

（6）特殊原因：常規(guī)煉化檢修時間為4 年，但由疫情影響，焦炭塔已運行5 年之后停車檢修，塔內(nèi)壁有較厚的焦層附著，厚度達4～5mm，見圖3 所示。焦炭是熱的不良導(dǎo)體，焦化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，內(nèi)壁附著殘留的焦層造成了塔內(nèi)壁溫度明顯低于操作溫度，盡管塔外壁有保溫層，但塔壁在厚度方向上仍存在很大溫差。隨著焦炭使用時間的增加，這種溫差逐漸增大，熱應(yīng)力使塔壁發(fā)生蠕變的作用較往常的焦炭塔檢修更為嚴峻。

圖3 焦炭塔內(nèi)壁焦油覆蓋

2 14Cr1MoR的焊接性能分析

焦炭塔B7、B8 環(huán)縫母材為14Cr1MoR，其化學成分及力學性能見表3 及表4。

由表3、表4 的數(shù)據(jù)及對該種材料的經(jīng)驗，計算得到14Cr1MoR 鋼的CE 為0.35%～0.64%，Psr 裂紋指數(shù)為- 0.06%～1.16%[3]。14Cr1MoR 鋼具有一定淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，焊接性能較差，應(yīng)采用低氫焊條，控制焊接線能量。同時，焊接過程需進行預(yù)熱、層間溫度控制和后熱。

表3 14Cr1MoR鋼板化學成分一覽表 %

表4 14Cr1MoR鋼板機械性能一覽表

14Cr1MoR 鋼存在較多沉淀強化的合金元素（Cr、Mo），焊接過程熱影響區(qū)承受高溫，奧氏體晶粒長大，經(jīng)過700℃左右的焊后熱處理，碳化物在晶粒內(nèi)部析出，晶界薄弱，當拘束應(yīng)力超過晶界抗拉強度時，產(chǎn)生再熱裂紋。故需采取以下措施：控制焊接時線能量減小熱輸入，盡量減少過熱粗晶區(qū)；在焊接材料成分的選擇上，遵循適當降低焊縫強度以及提高塑性變形能力的原則；采用預(yù)熱和后熱措施；減少再熱裂紋的產(chǎn)生[4]。

3 缺陷修復(fù)及檢測要求

焦炭塔的修復(fù)工作，分別從消氫處理、焊接材料和焊接方法的選擇、焊接參數(shù)的確定及熱處理工藝等方面進行策劃。

由于焦炭塔本身的特點和裝置檢修工期的緊迫性，4月22 日檢測出裂紋，要求5 月6 日開車，工期緊張，內(nèi)部又無法搭設(shè)腳手架，煉油廠安裝“傘形升降平臺”，見圖4，即利用焦炭塔除焦系統(tǒng)現(xiàn)有的鉆桿、鉆機絞車、鋼絲繩等設(shè)備，在鉆桿上安裝可伸展收縮的“傘形升降平臺”進行焦炭塔的全面檢驗和焊接作業(yè)，傘形升降平臺最多一次性容納5 人，所有人員必須在傘形升降平臺同時進行檢測＋打磨、裂紋清理施工作業(yè)，為后續(xù)傳動部分檢修及底閥、頂閥安裝爭取時間。

圖4 傘形升降平臺

3.1 修復(fù)前的消氫處理

焦炭塔體主焊縫布置見圖5，B7、B8 下筒體環(huán)縫14Cr1MoR 開裂缺陷處，先對返修部位進行加熱- 恒溫- 冷卻的消氫處理三個過程，加熱范圍為焊縫兩側(cè)各不少于100mm，在300～350℃下恒溫4h。冷卻過程應(yīng)保溫緩冷，100℃之后自然冷卻，當保溫緩冷至100℃時可以進行實焊。

圖5 塔體主焊縫布置簡圖

3.2 焊接方法和焊接材料的選擇

設(shè)計文件中對熔敷金屬中S、P 含量和其他雜質(zhì)元素（主要為As、Sn、Sb）提出了特殊要求，且焊縫金屬的室溫抗拉強度不超過母材的上限，焊縫金屬的室溫屈服強度應(yīng)處于母材屈服強度的100%～110%范圍內(nèi)。因此，選用的14Cr1MoR 焊接材料為低氫型焊接材料。同時，焊接前要對同一爐批號焊條作化學成分分析，其結(jié)果需滿足表5的規(guī)定。

表5 未稀釋的焊縫金屬化學成分要求一覽表 %

同時，焊接方法需保證焊縫與母材有相似的化學成分并保證其機械性能滿足以上的要求，因此選擇（SMAW）方法進行返修。

對于所選用的焊接材料，不希望環(huán)縫強度和屈服限過高，特別是σ0.2 比母材高的太多，對設(shè)備的“腰鼓”不利（“腰鼓”是焦炭塔失效的主要模式，圖6 為焦炭塔長期使用后腰鼓狀態(tài)圖）[1]。因此需要嚴格控制熔敷金屬的高溫（475℃）時的σ0.2，使熔敷金屬的σ0.2 原則上不高于14Cr1MoR 鋼高溫（475℃）σ0.2 的10%（這是國外為改善和提高焦炭塔使用壽命的措施）。因此在滿足設(shè)計技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，選用低強度級別的焊條更有利用保證焊接接頭的質(zhì)量。

圖6 焦炭塔長期使用后腰鼓狀態(tài)圖

3.3 焊接參數(shù)

焊接線能量、焊前預(yù)熱溫度和層間溫度等焊接參數(shù)通過影響焊接接頭的冷卻條件，影響接頭組織性能。焊接線能量越大，接頭冷卻速度越低，晶粒越粗大，強度和韌性下降，補焊時，采用小線能量，參數(shù)見表6，直流反極性，焊條不擺動，快速焊，焊接過程中控制道間溫度，能提高焊接頭的冷卻速度，改善顯微組織，提高沖擊韌度，同時減小焊接接頭過熱區(qū)的寬度，防止晶粒長大、變形和開裂。

表6 焊接工藝參數(shù)

3.4 預(yù)熱和后熱方式及要求

預(yù)熱時，補焊處及周邊100mm 范圍內(nèi)區(qū)域，預(yù)熱溫度為160～250℃；

后熱時，在焊接完成后，立即用履帶磁力吸附式電加熱片對補焊處及周邊100mm 范圍內(nèi)后熱，后熱溫度為300～350℃之間，后熱時間30min。

預(yù)熱及后熱方法采用電加熱法，采用電腦控溫儀控制溫度。

3.5 焊接操作控制

起、收弧位置應(yīng)在補焊區(qū)域內(nèi)，收弧應(yīng)填滿弧坑。焊接時采用多層多道焊，不得采用單道焊大電流、慢速橫向擺動焊方法進行焊接。注意起弧、收弧處的質(zhì)量，每道焊縫的起弧、收弧位置應(yīng)錯開，每焊完一層應(yīng)目視檢查，確定無缺陷后再焊下一層。焊接速度應(yīng)均勻一致，防止過快及過慢，以減小焊接應(yīng)力和焊接變形。

3.6 焊后熱處理

熱處理前要做好準備工作，對加熱區(qū)熱電偶進行嚴控，準備好備件，以免由于熱電偶損壞造成局部加熱不均勻和外側(cè)邊緣產(chǎn)生有害的溫度梯度，焊后熱處理工藝見表7。

表7 熱處理工藝參數(shù)

3.7 硬度測試要求

熱處理后在塔體對補焊部位的母材、焊縫及熱影響區(qū)分別進行硬度測量，滿足焊接接頭的硬度值≤225HB的要求。

3.8 外觀及無損檢測要求

焊縫表面不得有氣孔、裂紋、咬邊、未熔合、夾渣等缺陷。無損檢測應(yīng)在焊接結(jié)束后至少24h 后，將焊縫余高打磨為零后，方可進行。修復(fù)焊縫表面100%滲透檢驗、100%磁粉，修復(fù)部位100%超聲波探傷檢驗，I 級合格。

4 修復(fù)質(zhì)量評定及修復(fù)時的注意事項

4.1 修復(fù)后的質(zhì)量評定

(1）所有修復(fù)焊縫及上下100mm 范圍，在熱處理后應(yīng)進行超聲及滲透檢測，補焊焊縫表面進行100%超聲檢測，焊接坡口和補焊焊縫表面進行100%磁粉和滲透檢測，檢測結(jié)果為I 級合格。

(2）補焊位置在焦炭塔東、西、南、北四個方位均進行了硬度值檢測，焊縫、熱影響區(qū)、母材對比實測值如表8 所示，最高值為218HB，證明焊接接頭質(zhì)量及熱處理質(zhì)量均良好。

表8 熱處理后硬度值實測值

焦炭塔修復(fù)后，經(jīng)評定質(zhì)量是可靠的。

4.2 修復(fù)時的注意事項

(1）是否采用合格的焊接材料，直接決定著整個焦炭塔的修復(fù)質(zhì)量，焊接前必須對焊接材料進行比對選擇。焊縫金屬的合金化是整個焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，選擇焊接材料時，重點關(guān)注焊接材料的合金化需求。要避免使用硫元素、磷元素和氮元素過高的材料，有效過渡合金元素，實現(xiàn)較高的焊接工藝質(zhì)量[5]。

(2）在焦炭塔運行過程中，氫會深入塔壁，當檢修或改造時恭候，塔壁中溶解氫一部分會逸出，而大部分仍滯留在塔壁之中，這些殘留氫的存在會使塔壁焊接時出現(xiàn)冷裂紋，所以必須在焊接前進行消除。確定加熱溫度也非常關(guān)鍵，鐵素體相經(jīng)過350～500℃加熱后，韌性和塑性會顯著降低，475℃時脆化速度最快，故消氫處理不宜超過350℃[6]。

(3）本次修復(fù)過程中，在消氫處理，碳弧氣刨+ 砂輪打磨到滲透檢測后，焊縫上部出現(xiàn)了長約9000mm，寬約40mm 的連續(xù)表面裂紋帶，如圖7 所示，多條密集狀裂紋共存大多細而短，裂紋深度≤3mm，且有彎曲，考慮到是14Cr1MoR 對應(yīng)力釋放開裂具有敏感性，對表面裂紋采用碳弧氣刨+ 砂輪打磨清除的方法，清除后無擴展裂紋產(chǎn)生。

圖7 修復(fù)前消氫處理- 碳弧氣刨+砂輪打磨- 滲透檢測后出現(xiàn)的裂紋

(4）焊后必須打磨余高:焊后余高會造成局部應(yīng)力集中，很可能造成疲勞裂紋的源，去除焊縫余高的約束，可使變形均勻，不易開裂，有余高的設(shè)備比打磨后沒有余高的設(shè)備壽命短2.0～2.5 倍，所以必須做到與塔壁齊平。打磨范圍：焊縫兩側(cè)25～50mm 范圍，表面平滑。

（5）熱處理經(jīng)驗:焦炭塔保溫為披掛式保溫，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括內(nèi)背帶，保溫層，補強層，整形層，防水層，外背帶，外觀層，本次修復(fù)過程利用焦炭塔舊有外層保溫進行焊縫局部熱處理, 現(xiàn)場補焊時采用常規(guī)的火焰加熱方式進行預(yù)熱，不能完全滿足施工工藝要求，造成焊接接頭質(zhì)量無法保證，必須采用電加熱。

焦炭塔修復(fù)焊接過程中，采用履帶磁力吸附式電加熱片進行預(yù)熱，便于返修過程中加熱片的布置、移位及裝拆工作。通過熱電偶進行電腦溫度加熱控制，并保證每個筒體環(huán)縫至少設(shè)置2 個測溫點，補償導(dǎo)線采用K 形雙芯線，熱電偶型號均選用鎳鉻－鎳硅K 型，達到預(yù)熱溫度要求后進行焊接。焊接過程中嚴格執(zhí)行焊接工藝，并配備專職焊接檢查員檢查和記錄。

5 結(jié)論

（1）修復(fù)前需制定好修復(fù)前消氫處理施工工藝，消氫處理后對焊道及兩側(cè)各200mm 范圍內(nèi)進行滲透檢測，淺表裂紋及時處理，焊道及其周圍不得存在裂紋、氣孔等任何缺陷，是修復(fù)工作的前提和基礎(chǔ)。

（2）焦炭塔的修復(fù)，焊接時結(jié)構(gòu)受限和焊接操作工人經(jīng)驗等原因，易產(chǎn)生缺陷，一旦出現(xiàn)缺陷，返修較為困難，清除缺陷時極易對原來母材造成損傷，增加了焊接量，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，必須確保一次焊接合格。焊接時，要逐道檢查，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷及時清除，避免造成大范圍的缺陷和返修。

（3）從最終設(shè)備情況看，通過前期周密的工藝安排，過程嚴格控制，最終圓滿完成焦炭塔B7/ B8 環(huán)縫的局部熱處理，采用局部熱處理的方式是可行的，配合合理的熱處理工藝，熱處理質(zhì)量可控。

（4）通過材料焊接性分析及參照有關(guān)標準，通過試驗論證，制定合理可行的焊接工藝，成功修復(fù)了14Cr1MoR 焦炭塔，無損檢測結(jié)果和硬度指標均達到合格標準，同時為同行在遇到類似問題時提供參考。