王步美, 王志成, 葉有俊, 王一寧, 趙建平

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院, 南京 210036；2.南京工業(yè)大學(xué), 南京 210036)

某公司在對鉑重整裝置R501加氫反應(yīng)器進行定期檢驗時，首次采用了超聲波衍射時差法(TOFD)檢測技術(shù)，從外表面檢測到多處環(huán)焊縫內(nèi)存在超標(biāo)缺陷，缺陷位置如圖1所示(圖中S為南, E為東,N為北，W為西,H為環(huán)焊縫，Z為縱焊縫)，結(jié)合超聲檢測(UT)和相控陣超聲檢測(PA)，發(fā)現(xiàn)5處裂紋和1處埋藏缺陷，檢測結(jié)果如表1所示，一條裂紋斷續(xù)總長為1 386 mm。該反應(yīng)器于1969年9月投入使用，在其接管與筒體及補強圈角焊縫部位均存在局部未熔合、未焊透等超標(biāo)缺陷,投產(chǎn)后一直降壓監(jiān)控使用。該容器實際使用時間已有51 a，國內(nèi)大部分同類型反應(yīng)器已停止使用。設(shè)計壓力為8.8 MPa，工作壓力為3.9 MPa，設(shè)計溫度為300 ℃，工作溫度為290 ℃，內(nèi)部介質(zhì)為氫氣、加氫蠟油。容器規(guī)格(外徑×長度×壁厚)為φ1 800 mm×10 729 mm×55.0 mm(筒體)/60.0 mm(封頭)，材料為20Cr3NiMoA鋼，內(nèi)襯材料為耐熱水泥+1Cr18Ni9Ti鋼保護套。

加氫反應(yīng)器是石油產(chǎn)品加工的關(guān)鍵設(shè)備，如果立即將其報廢會造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。筒體材料的屈服強度為579 MPa，抗拉強度為686 MPa。這種鋼材的制造和焊接工藝性能差，返修難度大[2]，且

圖1 R501加氫反應(yīng)器整體及缺陷位置示意

表1 R501加氫反應(yīng)器缺陷檢測結(jié)果 mm

該設(shè)備運行時間遠(yuǎn)超設(shè)計使用壽命。依據(jù)安全技術(shù)規(guī)范，對焊縫上的缺陷進行安全評定，評估該加氫反應(yīng)器焊縫保留缺陷在正常工況下能否繼續(xù)安全運行3 a。

1 試驗方法

在筒體H2環(huán)焊縫中心和偏離焊縫中心5 mm兩處進行連續(xù)循環(huán)加載球壓試驗，獲取兩處的壓力深度和載荷曲線，估算材料的力學(xué)性能和斷裂韌性[3-7]。

在筒體內(nèi)壁H2環(huán)焊縫熱影響區(qū)及其附近母材兩處分別挖取直徑約為26 mm的碟型試樣(見圖2，位置1為母材，位置2為熱影響區(qū))。采用線切割方式去除試樣上的形變區(qū)后，對其進行顯微硬度測試、金相檢驗和液壓鼓脹破口分析。

圖2 挖取位置及挖取試樣的宏觀形貌

依據(jù)GB/T 4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗 第1部分:試驗方法》進行顯微硬度測試，依據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 6394—2017 《金屬平均晶粒度測定方法》進行金相檢驗。采用線切割方式將試樣割成1.5 mm厚的小薄片，對其進行液壓鼓脹試驗，試驗結(jié)束后將鼓脹形成的斷口在掃描電鏡(SEM)下觀察。

2 理化檢驗

2.1 力學(xué)性能測試

筒體H2環(huán)焊縫中心和偏離中心5 mm兩處材料的力學(xué)性能如表2所示。

2.2 硬度測試和金相檢驗

母材處的顯微硬度分別為201.1，209.7，205.3 HV。熱影響區(qū)處的顯微硬度分別為217.0，207.0，218.2 HV?？梢钥闯鰺嵊绊憛^(qū)處的顯微硬度略高于母材處，但均未見明顯異常。

表2 H2環(huán)焊縫中心和偏離中心5 mm處筒體材料的力學(xué)性能

對筒體材料進行金相檢驗，結(jié)果如圖3所示，由圖3可知：組織為貝氏體+網(wǎng)狀分布的鐵素體；晶界和晶內(nèi)沒有明顯析出物，組織無明顯變化；母材處晶粒度為2.5級，熱影響區(qū)處晶粒度為3.5級，晶粒粗大。由于原奧氏體晶粒較大，材料含碳量較高，冷卻速率較慢，因此鐵素體呈網(wǎng)狀分布。

圖3 筒體材料的顯微組織

2.3 掃描電鏡分析

將液壓鼓脹形成的斷口在SEM下觀察，結(jié)果如圖4所示。斷口布滿韌窩，為典型韌性斷口，材料韌性很好。斷口局部有條形孔洞，表明該材料局部有夾雜物。

圖4 液壓鼓脹形成斷口的SEM形貌

圖5 平面缺陷常規(guī)評定程序示意

3 安全評定

3.1 安全評定方式

理化檢驗顯示該加氫反應(yīng)器經(jīng)過51 a服役，材料硬度無異常，組織無變化，壁溫小于材料蠕變溫度，可排除介質(zhì)疲勞、材料劣化、蠕變等失效模式。反應(yīng)器內(nèi)壁有耐熱水泥和1Cr18Ni9Ti鋼保護套，使用期間不會發(fā)生缺陷與介質(zhì)直接接觸的情況，可排除介質(zhì)腐蝕和應(yīng)力腐蝕，則潛在失效模式為裂紋應(yīng)力集中導(dǎo)致的彈塑性斷裂失效，或因凈強度削弱導(dǎo)致的塑性失效。采用GB/T 19624—2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》中雙判據(jù)通用失效評定圖方法進行平面缺陷的常規(guī)評定。

3.2 缺陷的表征

圖6 1#～6#缺陷規(guī)則化原則示意

表3 1#～6#缺陷規(guī)則化后的尺寸 mm

3.3 材料力學(xué)性能的確定

受取樣方法的限制，采用材料室溫(20 ℃)力學(xué)性能評估該加氫反應(yīng)器在設(shè)計溫度300 ℃下的安全性。該加氫反應(yīng)器材料在室溫下的屈服強度為579 MPa，抗拉強度為686 MPa。金相檢驗和硬度測試結(jié)果表明：該加氫反應(yīng)器材料的組織和性能沒有發(fā)生明顯劣化。API 579—2016 《合于使用評價》附錄9F規(guī)定，對于未知化學(xué)成分的鐵素體材料，室溫斷裂韌性為3 478 MPa·mm1/2，且材料的斷裂韌性隨溫度的升高而變好。對于Cr-Mo鋼，300 ℃下材料屈服強度和抗拉強度相對于室溫下變化較小。采用離焊縫中心5 mm處獲得的室溫下的力學(xué)性能(屈服強度為427.74 MPa ，斷裂韌性為2 748.34 MPa·mm1/2)來評估該加氫反應(yīng)器在設(shè)計溫度300 ℃下的安全性具有較大的安全裕度。

3.4 應(yīng)力的確定

一次薄膜應(yīng)力是由內(nèi)壓引起的，按無力矩理論公式(1)計算。壓力為設(shè)計壓力8.8 MPa，筒體外徑Ro為1 910 mm，內(nèi)徑Ri為1 805.4 mm，則一次薄膜應(yīng)力Pm為73.81 MPa。一次薄膜應(yīng)力沿壁厚視為均勻變化，一次彎曲應(yīng)力Pb為0 MPa。

(1)

根據(jù)加氫反應(yīng)器工況，二次應(yīng)力僅考慮焊接殘余應(yīng)力σR。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)σR=0.5σs(σs為評定溫度下材料的屈服強度)，由此引起的二次薄膜應(yīng)力Qm為-213.5 MPa，二次彎曲應(yīng)力Qb為427 MPa。

引入應(yīng)力分安全系數(shù)，一次應(yīng)力K1為1.5，二次應(yīng)力K2為1.0，則Pm為110.72 MPa，Qm為-213.5 MPa，Qb為427 MPa。

3.5 應(yīng)力強度因子的計算

(2)

表4 1#～6#缺陷長軸點的裂紋構(gòu)形因子和應(yīng)力強度因子計算結(jié)果

3.6 載荷比Lr和斷裂比Kr的計算

采用式(3)～(4)計算1#～6#缺陷長軸點的載荷比Lr。采用式(5)～(6)計算1#～6#缺陷長軸點的斷裂比Kr，其中干涉效應(yīng)系數(shù)G=1，ρ為塑性修正因子。

(3)

(4)

(5)

(6)

1#～6#缺陷長軸點載荷比、斷裂比的計算結(jié)果如表5所示。

表5 1#～6#缺陷長軸點載荷比、斷裂比的計算結(jié)果

3.7 安全評定結(jié)果

將1#～6#缺陷長軸點計算得到的Lr，Kr所構(gòu)成的評定點(Lr，Kr)落在通用失效評定曲線中(見圖7)，評定點均位于安全區(qū)內(nèi)，可知6處平面缺陷的常規(guī)評定結(jié)果為安全。

圖7 加氫反應(yīng)器的安全評價結(jié)果

4 結(jié)論及建議

(1) 服役超50 a的R501加氫反應(yīng)器筒體的顯微硬度無異常，晶粒粗大，組織為貝氏體+網(wǎng)狀鐵素體，組織未發(fā)生明顯變化。

(2) 環(huán)焊縫上的6處缺陷能夠滿足GB/T 19624—2019中平面缺陷常規(guī)評定的要求，評定點落在失效評定曲線下方，滿足使用的要求。

(3) 使用單位應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行裝置操作規(guī)范，使用過程中應(yīng)嚴(yán)格控制操作壓力、操作溫度，限定操作介質(zhì)，防止使用過程中出現(xiàn)超溫、超壓與違章現(xiàn)象。根據(jù)TSG 08—2017 《特種設(shè)備使用管理規(guī)則》要求，對該反應(yīng)器實施監(jiān)控和防范措施。

(4) 使用過程中應(yīng)重點關(guān)注檢驗發(fā)現(xiàn)存在缺陷的相關(guān)焊縫，對含缺陷焊縫進行TOFD在線監(jiān)測。建議前4個月內(nèi)，每個月開展一次TOFD監(jiān)測，如缺陷沒有擴展，后期可2個月開展一次TOFD監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)缺陷發(fā)生擴展，應(yīng)立即處理。

(5) 建議R501加氫反應(yīng)器總監(jiān)控使用時間不超過3 a。到每年年底，需根據(jù)監(jiān)測結(jié)果重新進行評估，依據(jù)評估結(jié)果決定該加氫反應(yīng)器能否繼續(xù)使用。