N6復合板堿熔釜修復的思索

劉欣中

（吉林石化公司建修公司 吉林吉林）

N6復合板堿熔釜R101A、B、C、D共8臺，外形結(jié)構(gòu)如圖1。N6復合板堿熔釜操作壓力2.5～-0.05 MPa；操作溫度190℃；介質(zhì) NaOH（70%）、Na2SO4、甲醇等。容器材料16MnR（24 mm）+N6（3 mm）。容器類別Ⅲ類。焊接16MnR-16MnR，手工電弧焊，焊條 J507；16MnR-N6，N6-N6手工氬弧焊，焊絲ENi-1。

一、缺陷發(fā)現(xiàn)過程

1.N6復合層鼓包（脫層）

生產(chǎn)車間在設備正常檢修期間,發(fā)現(xiàn)釜底N6復合層產(chǎn)生鼓包（脫層），最大的鼓包發(fā)生在乙車間R101A的底部,面積大約600 mm×500 mm，通知制造廠對鼓包缺陷進行修復。

圖1 堿熔釜外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 垂直于焊縫的裂紋

2.N6復合層焊接熱裂紋

初始N6復合層鼓包修復方法。將脫層的N6復合層取下，邊緣采用搭接焊、內(nèi)部采用N6板中間磨8 mm×100 mm長孔篩焊的方法，焊接采用氬弧焊N6-N6，16MnR-N6，焊絲ENi-1。在N6-N6焊接時，篩焊焊道兩側(cè)產(chǎn)生長約20 mm，間距5 mm的密集熱裂紋，并伴有嚴重的氣孔。雖采用調(diào)整電流、焊速、限制焊接擺動等措施，但效果無明顯改觀，N6復合層修復工作失敗。

3.16 MnR基層堿脆

在此期間，乙車間R101D堿熔釜上封頭環(huán)焊縫出現(xiàn)物料滲出，在外壁做表面MP檢測，發(fā)現(xiàn)該堿熔釜上封頭16MnR基層環(huán)焊縫有4條垂直于環(huán)焊縫，長度為80 mm，間隔150 mm左右的裂紋。人孔、接管的焊縫處也存在裂紋，見圖2、圖3。

在對16MnR基層的外側(cè)打磨后發(fā)現(xiàn)，隨著裂紋的深入，缺陷面積擴大，對其進行PT檢驗，可以看到裂紋由里向外擴展，呈網(wǎng)狀。內(nèi)側(cè)裂紋細小、密集；外側(cè)裂紋粗大稀疏。工廠委托檢驗單位對8臺堿熔釜進行全面檢驗并且在人孔根部發(fā)生裂紋的16MnR基層部位取樣，委托哈焊所進行理化和金相分析，報告結(jié)果顯示：金相試件浸蝕后，顯示裂紋顯微形貌如圖4所示，裂紋以沿晶擴展為主，局部區(qū)段為穿晶擴展；裂紋有顯微分枝。裂紋覆蓋物含有Na質(zhì)量分數(shù)10.35%，S質(zhì)量分數(shù)3.52%。

經(jīng)了解N6復合板堿熔釜內(nèi)的反應介質(zhì)含有NaOH（70%）、Na2SO4等 。顯然 NaOH（70%）堿溶液滲透到16MnR基層，在應力和堿溶液溫度、濃度的共同作用下產(chǎn)生了堿脆。介質(zhì)中含S，也揭示了劣化N6復合層產(chǎn)生焊接熱裂紋的原因。

16MnR基層堿脆和N6復合層焊接熱裂紋的產(chǎn)生機理已在《堿熔釜N6復合層的修復》、《再談N6復合板堿熔釜的修復》文章中闡述，本文不再贅述。

4.N6復合層的氣孔

在N6復合層鼓包和產(chǎn)生堿脆的16MnR基層部位的N6復合層表面和焊縫進行表面PT檢測，同樣發(fā)現(xiàn)大量氣孔。氣孔大約10個/cm2，孔徑0.3 mm左右。

N6復合層的氣孔分為3個來源。（1）封頭轉(zhuǎn)角處N6復合層鼓包處的氣孔，是由于封頭熱壓時加熱溫度過高導致的N6復合層被氧化（劣化），經(jīng)腐蝕產(chǎn)生的針孔。（2）原N6復合層焊縫的氣孔，是設備制造時N6復合層焊接產(chǎn)生的氣孔。（3）初始N6復合層修復焊接時產(chǎn)生的氣孔。

由于焊接時，對N6復合層表面處理不徹底，使用N6板裁剪的焊絲（無抗氣孔、抗熱裂紋性能），導致在焊接時產(chǎn)生的氣孔（修復時，環(huán)境惡劣，ENi-1焊絲也已不合適）。

5.主要缺陷分布

根據(jù)檢驗單位對全部8臺堿熔釜進行全面的檢驗結(jié)果，經(jīng)統(tǒng)計主要缺陷分布見表1、表2。

二、缺陷修復（主要部分）

1.16MnR堿脆部位的修復

圖3 人孔與接管焊縫處裂紋照片

圖4 裂紋顯微形貌

首先將覆蓋上面的N6復合層剝離，其距離：焊縫坡口邊緣向外至60 mm；從設備外側(cè)對裂紋進行砂輪打磨，深度約15 mm；PT檢測，確認坡口周邊無裂紋，每次PT檢測后用不銹鋼電刷進行抽刷，清理滲透劑及顯影劑等污物；預熱100℃；SMAW第一層（焊接材料：底層，充填，蓋面均為507焊條）；SMAW填充，每層焊完后，用風鏟錘擊打焊道，消除焊接應力；SMAW 蓋面；從設備內(nèi)側(cè)返修，打磨深度約12 mm，其他工藝同上；將焊縫余高磨平，與母材齊平；RT檢測,Ⅱ合格。

2.對16MnR堿脆修復部位的熱處理

將16MnR基層返修部位，焊縫坡口邊緣向外至60 mm的N6復合層剝離，目的是為了增加N6復合層對熱處理部位的距離。使N6復合層的熱影響降低到最小；依據(jù)HGJ18-89合理地降低熱處理溫度，增加保溫時間。熱處理溫度550℃，保溫2 h。在熱處理部位與N6復合層隔離帶，用潮濕抹布適度冷卻，防止相鄰N6復合層被氧化；用紅外線測溫儀對熱處理溫度嚴密監(jiān)控。

3.N6復合層的修復（鼓包、含氣孔的焊縫、堿脆部位N6復合層）

對設備內(nèi)側(cè)16MnR基層返修后焊道表面用不銹鋼電動刷進行抽刷清理（在設備內(nèi)不允許用丙酮清理）；對修復后的16MnR焊道表面采用GTAW 方式進行堆焊，焊絲選擇：ERNi-1(抗氣孔、焊接熱裂紋性能較強)，層數(shù)為3層，層間溫度250℃（每層完成后應進行PT檢驗，并用不銹鋼電動刷進行抽刷清理）。N6復合層焊接時，必須嚴格按N6焊接規(guī)范進行焊接，防止焊絲和母材污染。

4.缺陷修復后效果

采用以上整體修復方法，設備運行3個月后觀察，介質(zhì)未對修復后的N6復合層表面產(chǎn)生腐蝕。在封頭上環(huán)焊縫發(fā)生堿脆修復部位，雖然進行了熱處理，但由于焊接應力的作用，外壁表面還是產(chǎn)生約3 mm的凹陷變形，對內(nèi)側(cè)N6復合層表面未產(chǎn)生影響。

三、修復過程的思索

1.對16MnR堿脆發(fā)生部位的研究

對堿熔釜發(fā)生堿脆裂紋的部位進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其幾乎全部集中在堿熔釜的上部，即封頭環(huán)焊縫和人孔、接管根部的16MnR基層焊縫及熱影響區(qū)。經(jīng)分析堿脆集中發(fā)生在上封頭，可能有以下兩方面原因。

表1 缺陷分布統(tǒng)計

表2 缺陷分布統(tǒng)計

（1）從堿熔釜的結(jié)構(gòu)上看，由于堿熔釜外部距離封頭環(huán)焊縫下500 mm處開始，有外蛇管與筒體外壁以角焊縫的形式連接在一起。在對外蛇管進行焊接的過程中，實際上也對相應部位的16MnR基層焊縫起到了焊后熱處理的作用。一定程度上消除了16MnR基層的焊接應力，堿脆（應力腐蝕）受到了明顯的抑制。

（2）上封頭氣—液相區(qū)的NaOH會更加富集，濃度會更高，化學性質(zhì)也會更加活躍。同時，由于在反應介質(zhì)中還有Na2SO4、甲醇、T酸等，在195℃溫度和2.5 MPa壓力的作用下是否生成氫氣、烴類、及H2S等，促使16MnR基層的應力腐蝕的產(chǎn)生。

2.對封頭部位N6復合層產(chǎn)生劣化的研究

（1）溫度對N6復合層的影響。根據(jù)封頭缺陷的統(tǒng)計分析，N6復合層鼓包部位，集中在下封頭。該部位的復合層都有被氧化的特征。這是因為N6的氧化溫度上限：540～750℃，在對16MnR（24 mm）+N6（3 mm）復合板封頭在熱壓過程中，由于壁厚，加熱溫度過高而且不均勻，防氧化措施不利，導致封頭局部轉(zhuǎn)角處N6復合層被嚴重氧化。經(jīng)介質(zhì)腐蝕，產(chǎn)生了細小但通透的空隙。介質(zhì)液體滲入復合層界面，在外蛇管195℃的烘烤下和-0.05MPa真空作用下，液體迅速汽化，形成較大內(nèi)壓力，形成N6復合層鼓包，氣孔中含有S等其他元素。

（2）封頭壁厚對N6復合層的影響。從以上分析可以看出，16MnR（24 mm）+N6（3 mm）的厚度，是采用熱壓封頭工藝的主要原因。根據(jù)設計參數(shù)對壁厚進行校核后發(fā)現(xiàn)，16MnR（16 mm）+N6（3 mm）完全可以符合設計參數(shù)的要求。采用旋壓封頭，可避免熱壓封頭對N6復合層的氧化。計算結(jié)果（略）。考慮容器上部攪拌傳動系統(tǒng)的載荷通過減速機底座，作用到封頭上應力微小，可忽略不計。為了慎重，可在封頭上焊接加強筋，保證封頭的穩(wěn)定性。筒體外壓應力校核（略），計算結(jié)果符合要求。同時筒體纏繞Φ57 mm×3.5 mm加熱蛇管，與筒體外壁角焊縫連接。蛇管外壁間距50 mm,由于筒體纏繞加熱蛇管部位起到了加強環(huán)的作用,保證了筒體的穩(wěn)定性。根據(jù)計算，16 MnR（16 mm）+N6（3 mm）完全滿足Pc1（內(nèi)壓）=2.5 MPa；Pc2（真空）=-0.05 MPa的載荷要求。

16MnR（16 mm）+N6（3 mm）復合板制作橢圓封頭，可采用成功案例：封頭旋壓的方法。旋壓時，成型輪全經(jīng)拋光后清洗去除油銹,旋壓時為了保證貼合率不受影響，用80℃加熱成型,溫度用紅外測溫筆測量。這樣加熱溫度大大降低，就可避免N6復合層加熱時被氧化。

3.N6復合板堿熔釜整體制造工藝研究

設備整體組焊時，制造單位對N6材料的熱敏性和可焊性認識不足。N6復合層焊接未按N6焊接規(guī)范制定工藝，并進行施工，導致焊縫存在大量氣孔。片面追求效益，未選擇抗氣孔和抗熱裂紋的焊絲，而是采用N6板裁剪焊絲，用于N6復合層焊接。由于N6焊接時對環(huán)境要求十分嚴格，而制造廠在施工時，未對N6復合層坡口和焊絲用丙酮進行嚴格的清理，對環(huán)境灰塵、濕度等也未進行控制。

N6復合層焊縫質(zhì)量是保證設備整體質(zhì)量的關(guān)鍵。制造過程中，應對N6復合層焊縫進行全面和規(guī)范的檢驗，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生嚴重的氣孔，應及時修改焊接工藝，并對產(chǎn)生氣孔的N6復合層焊縫進行徹底地清理，重新焊接。

對于盛裝有應力腐蝕的N6復合板壓力容器，可采用柔性石墨纏繞墊片，密封人孔及法蘭，并對設備進行抽真空，然后在熱處理溫度不超過600℃的情況下，在外焊縫用加熱帶，對設備焊縫進行消除焊接應力。內(nèi)部N6復合層在真空保護下，防止被氧化。

4.對檢維修工作的思索

N6復合板堿熔釜返修工作是由制造廠家完成的，但是修復工作的曲折經(jīng)歷，對于檢維修單位具有很多啟示。

堿熔釜的修復工作，是從N6復合層鼓包修復工作開始，由于不了解石油化工企業(yè)中反應介質(zhì)的特性，從復合層鼓包缺陷局部考慮問題，單純地從焊接的角度來修復，使修復工作走了很多彎路。例如初始階段，沒有考慮到NaOH（70%）、Na2SO4對材料的作用，是導致無法解決N6復合層焊接熱裂紋，致使修復工作停頓的主要原因。而且第一時間沒有發(fā)現(xiàn)封頭N6復合層氧化部位和焊縫氣孔，NaOH通過氣孔導致的堿脆的產(chǎn)生，險些造成重大安全事故。

從以上修復工作看到，N6復合板堿熔釜存在的缺陷種類多、分布廣，由于設備原帶缺陷和反應介質(zhì)及工藝條件共同作用，產(chǎn)生次生缺陷，關(guān)系比較復雜，具有隱蔽性和嚴重的安全隱患。這就要求檢維修企業(yè)的工程技術(shù)人員在遇到這樣的問題時，不僅要求有堅實地本專業(yè)知識，還要具備對石油化工生產(chǎn)裝置的工藝和反應介質(zhì)的了解，依據(jù)檢驗結(jié)果，進行分析和制定全面的修復方案。因此，復合板壓力容器缺陷修復，必須做好以下工作。

現(xiàn)場勘察，詳細觀察和記錄主要缺陷及分布；審閱設計圖紙，了解工藝參數(shù)，反應介質(zhì)等；進行全面檢測，根據(jù)情況進行理化和金相分析；對缺陷的產(chǎn)生進行科學地分析（注意介質(zhì)對材料的作用）；制定全面的修復方案；技術(shù)交底和規(guī)范施工（監(jiān)督工藝紀律執(zhí)行情況）；修復部位檢驗；設備耐壓試驗。

四、小結(jié)

N6復合層設備制造單位應嚴格按標準規(guī)范和本單位《焊評》，制定焊接工藝，嚴格工藝紀律。實踐證明，焊接方面的缺陷，往往是因為未按規(guī)范施工所造成的。設備制造完成后，可采用內(nèi)部抽真空，外部焊縫進行消除應力熱處理，避免復合層產(chǎn)生缺陷，導致基層發(fā)生堿脆。

設計單位在設計N6復合板壓力容器時，在保證設備的強度和穩(wěn)定性前提下，還要盡量減少不必要的基層厚度，減輕封頭制造的壓力。

N6復合板壓力容器使用和檢測單位，應特別注意盛裝NaOH、H2S、液氨及烴類等易產(chǎn)生應力腐蝕介質(zhì)的復合板壓力容器設備的管理。不但要定期對內(nèi)表面復合層焊縫及重點部位做詳細的檢測，對容器的外部也要進行檢測，特別注意對復合板設備上封頭外部焊縫的檢測，定期檢驗和日常的宏觀檢驗相結(jié)合。

檢維修單位在對復合板壓力容器修復前，首先應對缺陷的特征和分布進行實地勘察，了解反應介質(zhì)對材料的影響，根據(jù)檢驗的結(jié)果，進行科學地分析，制定全面的修復方案。