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        焦炭塔內(nèi)壁裂紋修復(fù)焊接工藝研究

        2022-03-27 08:48:48康鴻雁張麗麗李世紅
        石油化工建設(shè) 2022年12期
        關(guān)鍵詞:補焊焦炭母材

        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(xì)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(dá)到了數(shù)米,如果返修工藝制定和控制不當(dāng),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(yán)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(dá)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(yán)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(yán)重,其中最長一條長達(dá)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(yán)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(rèn)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(yán)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(dá)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(yán)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(xué)成分及力學(xué)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(xué)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xué)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(xué)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(xué)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(yán)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(zhǔn)備工作,對加熱區(qū)熱電偶進行嚴(yán)控,準(zhǔn)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(dāng)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(xì)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(dá)到預(yù)熱溫度要求后進行焊接。焊接過程中嚴(yán)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(yán)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(biāo)準(zhǔn),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(biāo)均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn),同時為同行在遇到類似問題時提供參考。

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