張子平，吳曉俁，王常青，范廣森

(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210036)

加氫反應(yīng)器是煉油裝置的核心反應(yīng)設(shè)備。該設(shè)備主要用于石油煉制、加氫精制以及催化重整等工藝過(guò)程。近年來(lái)，隨著我國(guó)石油深加工技術(shù)的提高以及煉油裝置的大型化，加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力和規(guī)格尺寸都在逐步增大。

我國(guó)從20世紀(jì)70年代末開始研究加氫反應(yīng)器制造技術(shù)，2002年，由中國(guó)一重成功制造出首臺(tái)國(guó)產(chǎn)化2.25Cr-1Mo-0.25V鍛焊加氫反應(yīng)器。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展更新，我國(guó)在鍛焊加氫反應(yīng)器的鍛造、熱處理、焊接等各方面的技術(shù)儲(chǔ)備已相當(dāng)成熟【1】。 本文通過(guò)對(duì)近5年來(lái)國(guó)內(nèi)企業(yè)制造的數(shù)十臺(tái)鍛焊加氫反應(yīng)器的全過(guò)程質(zhì)量跟蹤，對(duì)制造過(guò)程的典型問(wèn)題和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行解析，為后續(xù)的鍛焊加氫反應(yīng)器制造過(guò)程中質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防提供參考。

1 鍛焊加氫反應(yīng)器的制造

1.1 主體結(jié)構(gòu)

鍛焊加氫反應(yīng)器為Ⅲ類立式反應(yīng)容器，殼體主要由頂部彎管組件、上球形封頭、上過(guò)渡環(huán)、筒體(帶支撐凸臺(tái))、下過(guò)渡段、下球形封頭、底部彎管組件、接管法蘭、裙座過(guò)渡段及裙座等組焊而成，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

該設(shè)備主體材質(zhì)為2.25Cr-1Mo-0.25V堆焊E309L+E347，遵循的技術(shù)規(guī)范為TSG21—2016，所執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)包括JB 4732—1995(2005年確認(rèn)版)、API 934—2019、NB/T 47008—2017、NB/T 47013—2015及設(shè)計(jì)院技術(shù)條件等。

1.3 制造工序簡(jiǎn)述

鍛焊加氫反應(yīng)器的制造過(guò)程從原材料煉鋼開始，經(jīng)歷鍛造、熱處理、機(jī)加工、堆焊、組焊到最終焊后熱處理(PWHT)、耐壓試驗(yàn)、油漆包裝發(fā)運(yùn)等過(guò)程，主要工序節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 鍛焊加氫反應(yīng)器制造流程

2 制造階段常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題

根據(jù)筆者近5年跟蹤的國(guó)內(nèi)加氫反應(yīng)器制造過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，針對(duì)質(zhì)量管理方面需重點(diǎn)監(jiān)控的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行梳理，并對(duì)其問(wèn)題出現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析，內(nèi)容如下。

2.1 筒體鍛件沖擊性能不穩(wěn)定

2.1.1 問(wèn)題描述

統(tǒng)計(jì)近年來(lái)10個(gè)大型煉化項(xiàng)目中共計(jì)70臺(tái)鍛焊加氫反應(yīng)器的逾600件筒體鍛件發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)沖擊試驗(yàn)一次不合格的共計(jì)37件，其中25件復(fù)試合格，11件重新熱處理后沖擊試驗(yàn)合格，1件報(bào)廢處理。以其中某一煉化項(xiàng)目為例，對(duì)沖擊問(wèn)題進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)鍛焊加氫反應(yīng)器技術(shù)條件關(guān)于-30 ℃沖擊試驗(yàn)的規(guī)定見(jiàn)表1，本文所論述的加氫反應(yīng)器鍛件沖擊試驗(yàn)按表1中的規(guī)定一執(zhí)行。該項(xiàng)目中共計(jì)使用筒節(jié)鍛件40件，其中需進(jìn)行沖擊復(fù)試的筒節(jié)鍛件5件。經(jīng)復(fù)試后，5件鍛件沖擊性能全部合格，具體沖擊吸收能量值數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 國(guó)內(nèi)鍛焊加氫反應(yīng)器技術(shù)條件關(guān)于-30 ℃沖擊試驗(yàn)的規(guī)定

表2 復(fù)試鍛件沖擊吸收能量值統(tǒng)計(jì)

2.1.2 問(wèn)題分析

1) 沖擊試件分析

通過(guò)表2的數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，大部分沖擊吸收能量呈現(xiàn)的是兩高一低的狀態(tài)，為此，基本可以排除由于熱處理不當(dāng)導(dǎo)致的沖擊指標(biāo)不合格(如果是熱處理造成的不合格，3個(gè)試件的沖擊吸收能量數(shù)值應(yīng)基本趨于一致)。在上述沖擊試驗(yàn)試件中抽取序號(hào)1和序號(hào)2兩個(gè)沖擊不合格試件進(jìn)行顯微組織、晶粒度、非金屬夾雜物測(cè)試以及電鏡斷口觀察。顯微組織、晶粒度及非金屬夾雜物測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，金相及電鏡斷口照片見(jiàn)圖3～圖5。

由表3及圖3～圖4可知，兩組沖擊試件的組織均為典型的回火貝氏體組織，晶粒度較細(xì)，且分布較均勻，符合技術(shù)條件的要求。在夾雜物方面，兩組沖擊試件的D類粗夾雜物(簡(jiǎn)稱D粗)均為2.0級(jí)，D類細(xì)夾雜物(簡(jiǎn)稱D細(xì))分別為1.0級(jí)和2.0級(jí)，而試件2的DS類夾雜物(簡(jiǎn)稱DS)為2.5級(jí)，超出技術(shù)協(xié)議中關(guān)于“鍛件中A類、B類、C類、D類夾雜物粗、細(xì)系列分別不得大于1.5級(jí)，且A、B、C、D類夾雜物粗、細(xì)系列總和分別不超過(guò)4.0級(jí)，DS類夾雜物不得大于1.5級(jí)”的規(guī)定。

圖3 試件(序號(hào)1)組織及晶粒度照片

圖4 試件(序號(hào)2)組織及晶粒度照片

表3 金相試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可知，在兩試件裂紋源區(qū)附近均有大量夾雜物出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)該夾雜物進(jìn)行電鏡能譜掃描，確定缺陷為含Ca、Mg、Al為主的氧化物，如圖6所示。

圖5 沖擊試件斷口

圖6 裂紋源區(qū)附近夾雜物能譜

2) 問(wèn)題溯源分析

根據(jù)上述沖擊試件斷口分析結(jié)果可知，導(dǎo)致沖擊性能不穩(wěn)定的主要因素是在試件裂紋源區(qū)附近存在大量夾雜物。初步判斷導(dǎo)致存在大量夾雜物的工序?yàn)闊掍摴ば颉ｄ撳V冶煉澆注流程如圖7所示。

圖7 鋼錠冶煉澆注流程

煉鋼工序可細(xì)分為冶煉和澆注兩個(gè)階段。對(duì)上述試件鋼錠的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，兩鍛件的化學(xué)成分均滿足技術(shù)條件要求，P、S、H、O、N等有害元素控制得較好，說(shuō)明脫S、脫P(yáng)、脫O、脫氣效果良好，可排除冶煉環(huán)節(jié)問(wèn)題，因此判斷問(wèn)題應(yīng)出現(xiàn)在澆注環(huán)節(jié)。

表4 鍛件有害元素成分

澆注作為煉鋼的最后環(huán)節(jié)，可能導(dǎo)致夾雜物出現(xiàn)的原因分析如下：

a) 由于材料的固有特性，澆注過(guò)程中易產(chǎn)生二次氧化，少量二次氧化物隨鋼水流入錠模，最終留在凝固后的鋼錠中，形成Al2O3或復(fù)合類夾雜物。

b) 鍛件采用的鋼錠錠型較大，鋼錠澆注終點(diǎn)控制難度大，當(dāng)中間包內(nèi)富余鋼水較少時(shí)，可能有少量中間包浮渣進(jìn)入鋼錠模中，形成夾雜物。

2.1.3 處理措施

通過(guò)上述原因分析可知，導(dǎo)致本文所論述的沖擊性能不穩(wěn)定的主要因素是鋼錠中存在夾雜物(除本文案例之外還有可能出現(xiàn)由于熱處理原因?qū)е碌那闆r，本文暫且不做討論)。為此，建議在煉鋼和鍛造環(huán)節(jié)重點(diǎn)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的質(zhì)量控制：

a) 強(qiáng)化冶煉環(huán)節(jié)的質(zhì)量，嚴(yán)格確保鋼水的純凈度滿足要求。

b) 加強(qiáng)中間包兌鋼前的氬氣置換和兌鋼過(guò)程中的氬氣保護(hù)，確保在澆注過(guò)程中能有效防止二次氧化。

c) 嚴(yán)格控制鋼水量，掌控好澆注終點(diǎn)，防止中間包浮渣進(jìn)入鋼錠模內(nèi)。

d) 在鍛造過(guò)程中，盡可能去除沉積堆對(duì)鍛件質(zhì)量的影響。通?？刹扇∪缦麓胧?，一是控制水口切除量，二是大直徑?jīng)_孔，三是強(qiáng)化鍛透壓實(shí)效果。

2.2 筒節(jié)鍛件的超聲檢測(cè)缺陷

2.2.1 筒節(jié)鍛件的超聲波檢測(cè)缺陷的問(wèn)題描述

加氫反應(yīng)器的筒節(jié)鍛件制造過(guò)程中要進(jìn)行100%直探頭和斜探頭超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)一般依據(jù)NB/T 47013和國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院的技術(shù)條件執(zhí)行。本文重點(diǎn)針對(duì)直探頭超聲檢測(cè)進(jìn)行論述。直探頭檢測(cè)具體要求摘錄如表5所示。

表5 筒節(jié)鍛件縱波超聲波檢測(cè)要求

筒體這些超聲檢測(cè)缺陷多集中在水口端，也是性能的取樣端。其中大多數(shù)缺陷可以通過(guò)加工去除，但對(duì)于部分已經(jīng)進(jìn)入筒節(jié)本體的缺陷，通常以調(diào)節(jié)筒節(jié)長(zhǎng)度的方式加工去除，以保證設(shè)備的整體尺寸和質(zhì)量。這不僅對(duì)項(xiàng)目的整體生產(chǎn)進(jìn)度造成了一定影響，也存在一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 原因分析

1) 缺陷性質(zhì)分析

經(jīng)過(guò)對(duì)筒節(jié)鍛件進(jìn)行解剖和無(wú)損檢測(cè)，并對(duì)缺陷進(jìn)行能譜分析后，可確定缺陷為非金屬夾雜物，主要成分為Al2O3，并有少量CaO、MgO。缺陷由小顆粒團(tuán)簇聚集而成，顆粒當(dāng)量粒徑約為50 μm，根據(jù)能譜分析結(jié)果判定為與CaO·2Al2O3(CA2)和CaO·6Al2O3(CA6)的混合物。此外，還存在個(gè)別約200 μm的較大顆粒，從形態(tài)判斷為Al2O3顆粒，也可能是以Al2O3顆粒為核心的復(fù)合夾雜物。單個(gè)顆粒的當(dāng)量粒徑以及其團(tuán)簇聚集的分布形態(tài)顯示，其符合Al脫氧產(chǎn)物的特點(diǎn)，屬于內(nèi)生夾雜物。無(wú)損檢測(cè)缺陷的解剖分析結(jié)果如圖8 所示。

圖8 無(wú)損檢測(cè)缺陷的解剖分析結(jié)果

2) 缺陷位置分析

依據(jù)鋼錠凝固特性，在鋼錠不同區(qū)域會(huì)形成不同的組織，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖9。在凝固溫度下，鋼錠上部先結(jié)晶的純晶體密度大，只要長(zhǎng)大到一定程度，就會(huì)在重力的作用下，下降沉積在鋼錠的底部，同時(shí)，鋼液的運(yùn)動(dòng)使得柱狀晶的前沿沖斷下落，也會(huì)堆積在鋼錠的底部，在鋼錠的下部形成以細(xì)小的等軸晶為主并含有一定硅酸鹽夾雜物的沉積堆。故而導(dǎo)致無(wú)損檢測(cè)時(shí)，缺陷位置通常出現(xiàn)在鋼錠水口端，這也是鍛件理化性能檢測(cè)的取樣端(取試端)。

圖9 鋼錠凝固結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 筒體鍛件超聲波檢測(cè)缺陷的處理措施

由上述分析結(jié)果可知，導(dǎo)致筒節(jié)鍛件超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)缺陷的原因是筒節(jié)端部存在夾雜物。其與導(dǎo)致沖擊性能波動(dòng)的缺陷是一致的，故可采用的質(zhì)量控制措施也相同，在此不再贅述。

2.3 筒節(jié)鍛件直探頭超聲檢測(cè)盲區(qū)

2.3.1 筒節(jié)鍛件直探頭超聲波檢測(cè)肓區(qū)的問(wèn)題描述

鍛件的直探頭超聲檢測(cè)一般在調(diào)質(zhì)熱處理完成、鍛件表面加工見(jiàn)光后進(jìn)行。直探頭超聲檢測(cè)要求如表5。常規(guī)的保證筒節(jié)鍛件厚度方向滿足100%檢測(cè)的工藝方式是在外徑方向保留加工余量，使得超聲檢測(cè)盲區(qū)轉(zhuǎn)移到加工余量里，后續(xù)再精加工去除。

近年來(lái)，環(huán)軋機(jī)和毛坯調(diào)質(zhì)工藝在筒節(jié)鍛件制造方面大量應(yīng)用，因其能夠更好地保證筒節(jié)鍛件的鍛后橢圓度，從而使得預(yù)留的厚度余量越來(lái)越小，如仍按原檢測(cè)工藝執(zhí)行超聲檢測(cè)，則不可避免地會(huì)導(dǎo)致筒節(jié)鍛件的超聲檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)入到鍛件本體中，無(wú)法滿足100%的檢測(cè)要求。部分采用環(huán)軋機(jī)鍛造、毛坯調(diào)質(zhì)的筒節(jié)鍛件的盲區(qū)深度檢測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。由表6可見(jiàn)，大部分筒節(jié)鍛件在檢測(cè)時(shí)，均存在盲區(qū)進(jìn)入鍛件本體的問(wèn)題。

表6 鍛件筒體超聲檢測(cè)盲區(qū)深度檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.3.2 筒節(jié)鍛件直探頭超聲波檢測(cè)盲區(qū)的問(wèn)題分析

影響超聲波檢測(cè)盲區(qū)大小的因素主要有以下幾個(gè)方面【2】：

1) 被檢材料晶粒度越大，檢測(cè)盲區(qū)越大；

2) 檢測(cè)靈敏度越高，檢測(cè)盲區(qū)越大；

3) 檢測(cè)設(shè)備和探頭的組合性能，如儀器的發(fā)射功率越大，檢測(cè)盲區(qū)越大。

2.3.3 筒節(jié)鍛件直探頭超聲波檢測(cè)盲區(qū)的處理措施

由上述問(wèn)題分析可知，在針對(duì)加氫反應(yīng)器筒節(jié)鍛件的超聲檢測(cè)方面，很多固有因素是無(wú)法避免的，同時(shí)，采用增加筒節(jié)鍛件厚度的方法來(lái)規(guī)避無(wú)損檢測(cè)的盲區(qū)，也不經(jīng)濟(jì)。故對(duì)于如何減少超聲檢測(cè)盲區(qū)對(duì)筒節(jié)鍛件本體的質(zhì)量影響，筆者認(rèn)為可以考慮從以下幾個(gè)方面著手：

1) 工藝方面，在編制無(wú)損檢測(cè)工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮鍛件的無(wú)損檢測(cè)條件，合理編制超聲檢測(cè)方案，使得方案更具針對(duì)性。

2) 操作方面，建議增加雙晶探頭補(bǔ)探或雙面檢測(cè)，以減小超聲檢測(cè)盲區(qū)，保證鍛件本體的100%超聲檢測(cè)覆蓋率。

3) 工裝方面，增加適當(dāng)厚度的補(bǔ)償塊，將超聲檢測(cè)盲區(qū)外移至補(bǔ)償塊區(qū)域內(nèi)，保證鍛件本體的100%超聲檢測(cè)。

2.4 其他應(yīng)控質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

加氫反應(yīng)器制造過(guò)程中，很多部件的制造涉及多工序、多工種作業(yè)，各工序的銜接過(guò)程是出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的高危區(qū)，切實(shí)保證各工序的高質(zhì)量完成，是有效控制加氫反應(yīng)器質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)實(shí)際質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)以下兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

2.4.1 試件的標(biāo)識(shí)及轉(zhuǎn)移

鍛件性能試件的標(biāo)識(shí)是區(qū)分試件類別、試件方向、試件位置及試件狀態(tài)的有效且唯一的手段。筆者將加氫反應(yīng)器殼體鍛件試件分為兩類，即筒體鍛件試件和板坯鍛件試件。根據(jù)以往發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，重點(diǎn)論述板坯鍛件試件的標(biāo)識(shí)質(zhì)量控制，其余不再贅述。

板坯鍛件主要用于加氫反應(yīng)器的封頭制造，目前通常采用筒體制坯、然后分割為兩塊半圓筒體、展平后氣割為圓形鍛板的制造流程，如圖10所示。

根據(jù)工藝要求，板坯鍛件的母材試件取樣位置位于矩形板坯的四角位置，如圖10所示。試件板坯經(jīng)割取、表面加工平整、隨封頭執(zhí)行相應(yīng)的熱處理后，再下料加工，制成相應(yīng)理化試件。

由于鍛件力學(xué)性能試件有方向要求(試件軸線垂直于主加工方向)，故在將試件坯從矩形板坯上切取下來(lái)之前，不僅要標(biāo)識(shí)材質(zhì)、鍛件號(hào)、試件位置，還需明確標(biāo)記主加工方向(通過(guò)專屬符號(hào)標(biāo)記或通過(guò)其他標(biāo)識(shí)的位置區(qū)分)。同時(shí)，試件板坯還要經(jīng)過(guò)一次表面的粗加工，這又涉及到標(biāo)識(shí)的正確轉(zhuǎn)移問(wèn)題。在此環(huán)節(jié)，極易因?yàn)樽鳂I(yè)人員的疏忽，導(dǎo)致主加工方向標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)移錯(cuò)誤。故針對(duì)上述問(wèn)題，建議從以下兩個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的管控：

1) 技術(shù)交底，在生產(chǎn)作業(yè)前，應(yīng)提前對(duì)相關(guān)作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，明確標(biāo)識(shí)含義及重要性；

2) 環(huán)節(jié)檢驗(yàn)，板坯鍛件試件的標(biāo)識(shí)和轉(zhuǎn)移，應(yīng)作為重要質(zhì)量控制節(jié)點(diǎn)，在《檢驗(yàn)試驗(yàn)計(jì)劃》中設(shè)置相應(yīng)檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)控制。

2.4.2 凸臺(tái)的加工檢驗(yàn)

凸臺(tái)是加氫反應(yīng)器的重要部件，也是加氫反應(yīng)器在役檢驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)危害性缺陷的部分，其結(jié)構(gòu)如圖11所示【3】。本文主要針對(duì)凸臺(tái)加工的質(zhì)量控制進(jìn)行闡述，其他焊接等方面事宜不再贅述。

圖11 凸臺(tái)結(jié)構(gòu)

凸臺(tái)的加工檢驗(yàn)分為4個(gè)階段，即：本體堆焊加工完成的尺寸檢驗(yàn)、過(guò)渡層堆焊加工完成的尺寸檢驗(yàn)、耐蝕層堆焊加工完成的尺寸檢驗(yàn)及凸臺(tái)根部R角補(bǔ)堆后的尺寸檢驗(yàn)。

對(duì)于凸臺(tái)表面不銹鋼堆焊層的厚度檢測(cè)，由于當(dāng)前技術(shù)條件下超聲波厚度檢測(cè)的誤差性較大，故為有效保證凸臺(tái)表面的堆焊層厚度，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下兩個(gè)方面加強(qiáng)質(zhì)量管理；

1) 工藝方面。凸臺(tái)在各加工工序中，應(yīng)采用同一加工基準(zhǔn)點(diǎn)。

2) 檢驗(yàn)方面。應(yīng)精準(zhǔn)記錄凸臺(tái)各加工階段的尺寸檢查數(shù)據(jù)，如凸臺(tái)定位尺寸、凸臺(tái)伸出高度、凸臺(tái)厚度、根部R角尺寸及頂部R角尺寸。凸臺(tái)在進(jìn)行后續(xù)加工和檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)以上次的尺寸檢查記錄為依據(jù)，保證堆焊層厚度和凸臺(tái)的形位尺寸。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中所論述的鍛件沖擊性能、無(wú)損檢測(cè)、標(biāo)記移植及凸臺(tái)尺寸等四個(gè)方面的質(zhì)量控制是保證加氫反應(yīng)器制造質(zhì)量的基本要求。隨著加氫反應(yīng)器制造技術(shù)的發(fā)展提升，在基于分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的前提下，逐步降低設(shè)計(jì)裕量、減小設(shè)計(jì)壁厚的輕量化設(shè)計(jì)是未來(lái)國(guó)產(chǎn)化加氫反應(yīng)器的制造趨勢(shì)。高質(zhì)量的鍛件材料和不斷創(chuàng)新的鍛造工藝則是設(shè)備安全和有效運(yùn)行的根本保證。

在當(dāng)前國(guó)內(nèi)成熟的制造工藝和質(zhì)量體系保障下，有效地保證鍛件材料質(zhì)量、凸臺(tái)堆焊加工質(zhì)量等并不存在技術(shù)難題，重點(diǎn)在于各部門、各工序間的有效銜接，應(yīng)嚴(yán)格控制工藝紀(jì)律，優(yōu)化質(zhì)量管理方法，做好質(zhì)量與成本的雙向平衡。