張健堂

(皖北煤電集團公司， 安徽宿州 234000)

1 甲醇合成塔工藝

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市西北能源化工有限責任公司(簡稱西北能化)甲醇裝置以煤為原料，采用水煤漿加壓氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳等工藝，制得純凈的氫氣和一氧化碳，在催化劑的作用下合成粗甲醇。甲醇合成塔是管殼外冷-絕熱復合型甲醇合成反應器，甲醇合成催化劑(銅系催化劑)裝在換熱管內(nèi)和換熱管上部，在管間充滿鍋爐水，這些水把甲醇合成反應產(chǎn)生的熱量快速地移走。

甲醇合成塔殼程操作溫度約為250 ℃，操作壓力為3.9 MPa，介質(zhì)為鍋爐水(Na3PO4質(zhì)量濃度為10.5 mg/L，溶解氧質(zhì)量濃度為9.0 mg/L，pH為7～9)。

2 甲醇合成塔泄漏過程

西北能化甲醇合成塔由中航黎明錦西化工機械責任公司(簡稱錦化機公司)于 2013 年 11 月生產(chǎn)制造(設備編號為13-332),2014 年初安裝就位，2016 年 9 月投入生產(chǎn)使用，2017年 6 月在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)該塔筒體下部加強圈過渡段與筒體B2 環(huán)焊縫上有泄漏點，在當月裝置停車大修期間由制造單位錦化機公司安排維修人員，按照制定的檢修方案，進行挖補修復，消除該處缺陷，并于 2017 年 8 月修復結(jié)束投入生產(chǎn)。2018 年 1月上旬，該處環(huán)焊縫表面又出現(xiàn)1處泄漏點，同月中旬，再次出現(xiàn)2處泄漏點，泄漏點位置均在該環(huán)焊縫上；2018年2 月初，在該位置處再次出現(xiàn)泄漏。西北能化及時將泄漏情況發(fā)函告知錦化機公司，該公司安排專人查看現(xiàn)場，著手準備返修工作。

2018年4月大修期間對焊縫進行超聲檢測發(fā)現(xiàn)該處約存在15 處缺陷(包括 11 處泄漏點)，裂紋既有縱向也有環(huán)向，還有呈十字狀分布，對焊縫內(nèi)壁用內(nèi)窺鏡檢查可見多處細小裂紋，部分已由焊縫延伸至母材本體。設備結(jié)構(gòu)及泄漏部位見圖1。

(a) 整體結(jié)構(gòu)圖

(b) 俯視圖A8—鍋爐給水出口； B2-7—鍋爐給水入口；B8—鍋爐給水/蒸汽入口；A2-7—鍋爐給水/蒸汽出口。圖1 設備結(jié)構(gòu)圖及泄漏部位

3 檢測分析

對泄漏部位進行宏觀檢測(包括樣品外表面檢查、焊接接頭剖面檢查、裂紋剖面檢查)、化學成分分析、金相分析(包括裂紋金相、金相組織)、硬度測試、斷口分析(包括宏觀斷口、微觀斷口)、X 射線能譜分析、X 射線衍射分析，以分析泄漏原因。

3.1 宏觀檢查

樣品內(nèi)壁呈鐵銹紅色，裂紋基本與焊縫垂直，未見有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出脆性斷裂特征，具體見圖2。

圖2 樣品宏觀形貌

3.2 化學成分分析

分別對焊縫金屬(內(nèi)坡口和外坡口)、兩側(cè)母材(厚壁和薄壁)進行化學成分分析，結(jié)果見表1。由表1可以看出：母材化學成分滿足相關標準(GB 713—2008 《鍋爐和壓力容器用鋼板》對13MnNiMoR的要求)，焊縫金屬化學成分與母材匹配。

表1 化學成分分析結(jié)果

3.3 焊接接頭硬度測試

對焊接接頭進行硬度測試，測試部位及結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出：焊縫金屬硬度為226.0 HV～246.5HV；熱影響區(qū)硬度為276.2HV～357.7HV；母材硬度為 202.5HV～225.7HV。

圖3 硬度測試部位及結(jié)果

3.4 金相分析

裂紋金相試樣取樣部位見圖4，該處裂紋是由焊縫上的裂紋延伸至母材上的。裂紋的微觀形貌見圖5。由圖5(a)可以看出：裂紋基本垂直于內(nèi)表面，深度約12 mm。對裂紋進行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)在該裂紋的附近還有1條微裂紋(見圖5(b))，2處裂紋均有內(nèi)壁裂紋，以穿晶擴展(見圖5(c)～(e))，局部有分叉，裂紋縫隙內(nèi)有明顯的氧化物(見圖5(d)),裂紋具有較典型的應力腐蝕開裂特征。

圖4 裂紋金相試樣取樣部位

(a) 裂紋位于厚壁母材上

(b) 近內(nèi)壁裂紋

(c) 裂紋1局部形貌

圖5 裂紋微觀形貌

3.5 斷口分析

選取位于焊縫上到裂紋(1/3至2/3厚度和2/3至外壁厚度)將其打開，打開部位及斷口宏觀形貌見圖6。2個斷裂面凹凸不平，主要呈褐色，局部也有呈鐵銹紅，人工打開斷口為白色。斷口表面有明顯呈放射狀紋路，按放射狀紋路收斂方向可以判斷裂紋是由內(nèi)壁向外壁擴展的，在斷口2上可見裂紋已穿透。

圖6 裂紋形貌及打開后的斷口

3.6 X 射線能譜分析

對斷口1表面腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，斷口1分析部位見圖7，分析結(jié)果見圖8和表2。斷口上主要為O和Fe元素，局部有少量的Mn、Cr、Ni、C和P等元素。

圖7 斷口表面腐蝕產(chǎn)物分析部位

表2 斷口1表面能譜分析結(jié)果

3.7 X 射線衍射分析

從塔內(nèi)裂紋表面刮取得到的附著物作為分析樣品，對其進行X射線衍射分析，結(jié)果見圖9。由圖9可以看出：樣品中主要含有Fe3O4和少量的C結(jié)晶。

圖9 X射線衍射分析結(jié)果

4 原因分析

依據(jù)取樣分析結(jié)果可以確定焊縫開裂為應力腐蝕開裂。從斷口及腐蝕產(chǎn)物特征看溶解氧(鍋爐給水水質(zhì)指標，在合成塔泄漏前因溶解氧檢測儀器故障，溶解氧未檢測到，國標為50 mg/L)占主導機制，而從開裂時間較短來看又符合Na3PO4(鍋爐給水水質(zhì)指標，在合成塔泄漏前檢測指標為5～15 mg/L)引起堿脆占主導機制的特點。對于西北能化焊縫熱影響區(qū)最高硬度達到375.7HV，遠高于設計規(guī)定的 225HV，說明了表面焊接殘余應力沒有通過焊后熱處理得到有效消除，這是導致應力腐蝕的一個關鍵因素。

5 修復方案

設備殼程過渡段與筒體材料為13MnNiMoR，過渡段厚度為110 mm，筒體厚度為55 mm，焊縫處厚度為55 mm。

針對殼程過渡段與殼程筒體焊接接頭有多處泄漏，存在缺陷部位累計長度已達到B2焊縫總長度的3/4，采取以下措施修復：

(1) 對B2焊縫存在缺陷的部位進行修復，經(jīng)超聲檢測未發(fā)現(xiàn)缺陷的部位，可不再重新焊接。每次修復長度根據(jù)履帶加熱器長度確定為約600 mm(根據(jù)履帶加熱器長度情況一次修復長度可適當加長，但兩端必須有各不小于80 mm的余出履帶加熱器)。

(2) 對存在缺陷的環(huán)向焊接接頭整圈進行100%超聲波探傷檢測及100%滲透檢測，確定焊縫缺陷位置每處的寬度并進行記錄。

(3) 在0°附近鉆2個止裂孔，距離約為600 mm。

(4) 用碳弧氣刨和砂輪修磨的方法清除缺陷，清除前對母材進行預熱，預熱溫度不低于150 ℃，碳弧氣刨清除時沿缺陷外圍向中心部位進行，然后用砂輪修磨表面，直至露出金屬光澤，對其表面進行100%滲透檢測，按NB/T 47013.5—2015 《承壓設備無損檢測》標準的I級驗收，確認缺陷已完全清除干凈為止[1]。清除缺陷的同時將焊縫熱影響區(qū)內(nèi)硬度超標部位(一般在熔合線兩側(cè)20 mm范圍內(nèi))清除，并再次打硬度進行確認。每清除一段環(huán)焊縫后，用內(nèi)窺鏡檢查環(huán)焊縫兩側(cè)是否存在超聲波未檢測出的肉眼可見裂紋，如有應一并去除。

(5) 缺陷沿筒體環(huán)焊縫環(huán)向方向延伸(長度或?qū)挾?較大時，缺陷清除后采用在內(nèi)部加襯墊的方法進行修復。在清除缺陷時，有可能會出現(xiàn)因打磨致底部開口過大而無法焊接的情況；為確保焊接質(zhì)量，允許采用加襯墊的方法進行焊接，襯墊材料為13MnNiMoR，板厚為8 mm，長度和寬度按實際缺陷部位尺寸相配。

(6) 嚴格按照焊接工藝要求進行施焊，焊前預熱，焊后立即消氫處理為按焊接工藝和熱處理工藝要求進行[2]。

(7) 焊接完畢24 h后，對修復部位及周圍200 mm范圍內(nèi)的母材、焊接接頭進行100%滲透檢測，按NB/T 47013.5—2015 的I級驗收，并進行100%超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015 的I級驗收[3]。

(8) 在0°附近修復完畢后，再修復180°側(cè)，隨后修復 90°側(cè)，最后修復270°附近的缺陷。為加快修復進度，在履帶加熱器及現(xiàn)場施工人員足夠的情況下，也可0°與 180°同時修復，90°與270°同時修復，每次鉆4個止裂孔。這樣循環(huán)往復，直至 B2 焊縫存在缺陷的部位被完全修復、消氫、無損檢測合格。

(9) B2焊縫存在缺陷部位都修復完畢后，按熱處理工藝要求進行 B2焊縫的整圈消除應力熱處理。

(10) 熱處理后對焊縫、熱影響區(qū)母材進行硬度檢測，理論上應控制硬度小于等于225HB?？紤]現(xiàn)場熱處理條件受到很多限制，如內(nèi)部換熱管眾多，散熱速度快、熱處理設備受到空間限制等，造成熱處理溫度可能達不到理論值，根據(jù)多年實際經(jīng)驗，暫定硬度合格條件為小于等于245HB[1]。

(11) 熱處理合格后，對修復部位進行100%滲透檢測，按 NB/T 47013.5—2015 的I級驗收，并進行 100%超聲檢測，按 NB/T 47013.3—2015 的I級驗收。

(12) 耐壓試驗按以下要求執(zhí)行：

① 缺陷修復完成后，對設備殼程先進行壓縮空氣檢漏，試驗壓力為0.4～0.5 MPa，檢查修復位置不得泄漏。

② 合格后進行系統(tǒng)試壓，殼程試驗壓力為5.63 MPa(根據(jù)現(xiàn)場實際情況也可以進行設計壓力，即4.5 MPa水壓試驗)，檢查所有連接部位，不得有泄漏，檢查合格后將水放凈，并用壓縮空氣吹干。

③ 耐壓試驗時應控制試驗用水的氯離子質(zhì)量濃度不得超過3 025 mg/L。

(13) 耐壓試驗合格后，對修復部位進行 100%滲透檢測，按 NB/T 47013.5—2015 的 I 級驗收，并進行 100%超聲檢測，按 NB/T 47013.3—2015 的 I 級驗收[4]。

(14) 合成塔過渡段與筒體的環(huán)向焊接接頭返修焊接后用履帶加熱器加熱，進行局部消除應力熱處理。局部消除應力熱處理時，需要用履帶加熱器將整條環(huán)向焊接接頭均勻加熱，采用耐火纖維毯保溫，自動控溫儀控制溫度并自動記錄溫度-時間曲線；沿環(huán)向焊接接頭圓周布置 4 支熱電偶，相鄰熱電偶互呈 90 ℃。

(15) 合成塔熱處理結(jié)束后，嚴格按照水壓試驗方案進行水壓試驗，試驗過程中無異常的聲響，放水后，進行 100%超聲檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，認為水壓力試驗合格。具體水壓試驗曲線見圖10。

圖10 水壓試驗壓力曲線

6 合成塔修復工作鑒定

合成塔修復工作全部結(jié)束后，2018年6月2日由中國特種設備檢測研究院對合成塔環(huán)向焊縫進行了超聲波檢測，檢測結(jié)果表明合成塔環(huán)向焊縫未見缺陷。

2018年6月6日合成塔投入使用，6月12日由內(nèi)蒙古鄂爾多斯市特種設備檢驗所出具特種設備改造與重大修理監(jiān)督檢驗證書，鑒定結(jié)果為合成塔安全性能符合TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》要求[5]。

7 結(jié)語

合成塔自6月6日修復工作結(jié)束后，并由當?shù)靥胤N設備檢驗所鑒定合格后投入使用，目前運行穩(wěn)定，經(jīng)過對鍋爐水指標分析：溶解氧質(zhì)量濃度為10.5 mg/L(指標為50 mg/L)，總磷質(zhì)量濃度為9.0 mg/L(指標為20 mg/L)，溫度為104 ℃，各項指標在控制范圍內(nèi)。通過甲醇合成塔的平穩(wěn)運行，說明了甲醇合成塔環(huán)焊縫修復方案正確可行，熱處理溫度控制、耐壓試驗和水處理方案是切實可行的，可供類似的甲醇合成塔檢修借鑒參考。甲醇合成塔運行中還要做好以下安全防范措施：

(1) 嚴格按照工藝指標控制鍋爐水溶氧量，采取有效手段對其監(jiān)控分析。

(2) 對甲醇合成塔外部保溫采取加厚處理，進一步降低合成塔內(nèi)外壁溫差，避免因溫差應力造成合成塔及焊縫產(chǎn)生裂紋。

(3) 在甲醇合成塔開停車期間，升降溫應緩慢，防止催化劑產(chǎn)生超溫或破碎等現(xiàn)象。