周繼光

(四川省化工建設工程質量安全監(jiān)督站, 成都 610500)

甲烷化爐是合成氨裝置凈化工序的主要設備。出變換工段的工藝氣經(jīng)冷卻分離后進入CO2吸收塔，再去甲烷化爐進一步凈化處理，為合成氨提供凈化氣，要求有效氣(CO+CO2)質量分數(shù)≤0.7%[1]。

1 基本概況

四川某化工企業(yè)的甲烷化爐由中國成達化學工程公司設計，2004年7月由自貢高壓容器廠制造，設計壓力為3.48 MPa，設計溫度為454 ℃，內徑為2 400 mm，壁厚為48 mm，容積為19.3 m3，筒體封頭材質均為15CrMoR。介質為甲烷化氣(主要包括CO、CO2、H2)，內裝鎳系催化劑KJ108-2，外有硅酸鹽保溫層，厚度為80 mm。使用過程中，未曾有修理記錄。2016年，定期檢驗壓力容器時，該甲烷化爐安全等級為3級。投用至今，雖經(jīng)歷多次定期檢驗，但都未對內部進行檢測。主要焊縫布置見圖1。

2 事情經(jīng)過

適逢更換甲烷化爐內部觸媒，于是廠方根據(jù)TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》要求，結合設備的現(xiàn)場條件、結構特點、失效模式制定了定期檢驗方案，經(jīng)相關人員審批后實施[2]。當對其內部縱環(huán)焊縫進行100%熒光磁粉探傷時，在B1、B3環(huán)縫上各發(fā)現(xiàn)了兩處裂紋痕跡(圖2)。打磨上封頭環(huán)縫上兩處裂紋表面，當深度約為1.5 mm時，裂紋消除。這兩處裂紋相距2 166 mm，分別呈橫向、星型放射狀分布。打磨下封頭環(huán)縫上兩處裂紋表面，當深度約為10 mm時，裂紋還未消除。這兩處裂紋相距110 mm，均呈橫向分布，垂直于焊縫方向(見圖3)。測試兩處缺陷之間母材、熱影響區(qū)、焊縫處的硬度,分別為130 HB、190 HB、245 HB。

圖1 甲烷化爐主要焊縫布置

(a) 上封頭環(huán)縫處

(b) 下封頭環(huán)縫處

隨后又對該處母材及裂紋部位進行現(xiàn)場金相試驗，結果為：缺陷附近處母材組織正常，未出現(xiàn)球化等現(xiàn)象；焊縫處組織均勻正常，未發(fā)現(xiàn)組織粗大等現(xiàn)象。該處裂紋放大200倍后的形貌見圖4。

(a) 上封頭環(huán)縫處

(b) 下封頭環(huán)縫處

該裂紋經(jīng)四川藍星機械有限公司返修，打磨深度約為16 mm時,裂紋完全消除。

3 問題

查閱該臺甲烷化爐制造資料，發(fā)現(xiàn)其制造時外觀及幾何尺寸、AB類焊縫100%射線探傷和100%超聲波探傷、熱處理、焊縫硬度、水壓試驗等全部合格，但射線探傷時采用的是Ir192γ源。說明此次磁粉探傷發(fā)現(xiàn)的裂紋應該屬于使用過程中的新生裂紋缺陷，呈垂直焊縫的橫向分布(見圖5)。

圖4 裂紋金相圖

(a) 上封頭環(huán)縫處

(b) 下封頭環(huán)縫處

4 原因分析

封頭與筒體相焊的環(huán)縫位置屬于不連續(xù)部位，除了內壓作用引起薄膜應力外，還存在不連續(xù)部位引起的局部應力，以及熱膨脹受到限制引起的溫差應力。這些應力對設備的安全性有不同的影響，比如焊接時易產生焊接殘余應力。壓力容器焊后熱處理的目的就是消除焊接殘余應力，以減少變形、穩(wěn)定結構尺寸，以及改善焊縫和母材的性能[3]。缺陷處焊縫及其熱影響區(qū)硬度較高，且與母材硬度差異較大，同時焊縫和母材金相組織完全正常，說明該焊縫在最后的熱處理過程中存在質量瑕疵。經(jīng)核查其原始熱處理報告和曲線，發(fā)現(xiàn)原始熱處理保溫時長和保溫溫度穩(wěn)定不夠，導致焊縫環(huán)向應力較大。檢測焊縫及母材里氏硬度，并了解設備服役情況，根據(jù)設備內介質等工況綜合分析，認為該設備的焊縫存在較大焊接殘余應力，焊縫間原始存在微小氣孔等小缺陷；在氫環(huán)境下使用后，缺陷逐漸被擴大，產生了呈垂直焊縫、橫向分布的新生裂紋缺陷。判斷此裂紋為氫致裂紋。

5 思考和建議

5.1 設備使用單位

由于甲烷化過程屬于強放熱反應，爐內溫度易升高。若進爐氣體中CO、CO2含量偏高，易使催化劑超溫，同時消耗過多的H2，也使進入合成工序的惰性氣體含量增加。需要嚴格控制工藝參數(shù)，避免甲烷化爐內超溫，避免甲烷化爐殼體超溫，減緩殼體金屬材料的劣化，延長催化劑的使用壽命，確保整個裝置高效運行[4-5]。

5.2 設備定期檢驗單位

制定甲烷化爐的在用定期檢驗方案時，一定要重視設備內表面焊縫的新生裂紋，盡可能從設備內部進行檢測；采取相關措施加強內表面裂紋的檢測，確保設備的安全運行。

5.3 設備制造單位

制造時，除確保焊縫焊接質量外，還要控制熱處理環(huán)節(jié)的質量。無論是整體熱處理還是局部熱處理，都應確保熱處理焊縫的內應力能夠真正被釋放，保證焊縫硬度合格。對于厚壁容器，應該適當提高保溫溫度并延長保溫時間。

6 結語

必須確保制造、使用、定期檢驗等各個環(huán)節(jié)的質量，如此設備才能長周期安全運行，從而獲得更大的經(jīng)濟效益。