變換爐堆焊層裂紋原因分析和埋藏缺陷安全評(píng)定

王志亮，馬 歆，宋高峰，王應(yīng)植，許力偉

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京，210036)

變換爐是合成氨裝置中的反應(yīng)容器，煤氣中的一氧化碳在400℃左右的溫度下，借助催化劑的作用，與水蒸汽進(jìn)行變換反應(yīng)，生成二氧化碳和氫氣，制得所需要的混合煤氣［1］。由于操作溫度較高，且介質(zhì)中含有氫氣，變換爐屬于典型的高溫臨氫設(shè)備，存在氫腐蝕、回火脆化、蠕變、連多硫酸腐蝕等損傷機(jī)理［2-4］，制造時(shí)多采用復(fù)合板材料，基材多為Cr-Mo抗氫鋼，內(nèi)襯不銹鋼［5-7］。某公司一臺(tái)變換爐在2011年停車檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)不銹鋼堆焊層存在多條裂紋，筒體對(duì)接環(huán)縫存在一處超標(biāo)的埋藏缺陷;較淺的裂紋已打磨消除，剩下2條堆焊層裂紋打磨未消除，埋藏缺陷未處理。為了探明裂紋產(chǎn)生的原因，在2012年更換觸媒時(shí)對(duì)堆焊層進(jìn)行了金相檢測(cè)和腐蝕產(chǎn)物分析，并對(duì)含缺陷的變換爐進(jìn)行了安全評(píng)定，為變換爐的安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 變換爐及其缺陷

1.1 變換爐的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

該變換爐于2004年按GB150—1998《鋼制壓力容器》設(shè)計(jì)并制造，2005年6月投入使用，基層材料為15CrMoR，筒體內(nèi)表面、人孔和卸料孔堆焊層焊縫過(guò)渡層材料為 E309L-16，表層材料為E347L-16，筒體基層厚度為 88 mm，封頭為50 mm，堆焊層厚度不小于5 mm，技術(shù)參數(shù)見表1。變換爐為立式結(jié)構(gòu)，由上下球型封頭、筒體、人孔和卸料孔等部件組成。

表1 變換爐技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of conversion furnace

1.2 變換爐的缺陷

大修時(shí)對(duì)變換爐進(jìn)行了滲透檢測(cè)(PT)和超聲波檢測(cè)(UT)，在焊縫堆焊層表面發(fā)現(xiàn)了裂紋，在對(duì)接環(huán)縫發(fā)現(xiàn)了埋藏缺陷，缺陷的位置、性質(zhì)和程度見表2。

表2 變換爐缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 2 Defects of conversion furnace

2 堆焊層裂紋原因分析

2.1 金相檢測(cè)和腐蝕產(chǎn)物分析

2012年更換觸媒時(shí)對(duì)堆焊層裂紋部位進(jìn)行了金相檢測(cè)。在未侵蝕前，先用復(fù)型膜將裂紋形貌復(fù)制下來(lái)，然后在金相顯微鏡下觀察，裂紋呈彎曲狀，在裂紋間隙中存有灰色的夾渣物(見圖1)。

圖1 未浸蝕前裂紋形貌Fig.1 Crack morphology before etching

用王水溶液侵蝕后，再用復(fù)型膜將裂紋形貌復(fù)制下來(lái)，在金相顯微鏡下觀察，裂紋均發(fā)生在焊縫區(qū)域，裂紋尾部呈現(xiàn)出沿奧氏體晶界分布的網(wǎng)狀裂紋(見圖2)。焊縫完好部位的金相組織為奧氏體加島狀鐵素體，金相組織正常(見圖3)。

圖2 浸蝕后裂紋形貌Fig.2 Crack morphology after etching

圖3 正常部位金相組織Fig.3 Normal metallurgical structure

對(duì)裂紋處進(jìn)行了腐蝕產(chǎn)物分析，結(jié)果表明:腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫元素和氧元素。

2.2 連多硫酸應(yīng)力腐蝕

在煉油化工行業(yè)中，介質(zhì)中含有H2S和活性硫，在高溫?zé)o水的情況下，可直接與設(shè)備表面的金屬鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成FeS，這些FeS在設(shè)備表面形成一層致密的膜，阻止了其他物料對(duì)設(shè)備表面的進(jìn)一步腐蝕，對(duì)設(shè)備可起到一定的保護(hù)作用。但是當(dāng)裝置停車、降溫并打開設(shè)備后，空氣中含有的大量O2和水分與設(shè)備表面的FeS發(fā)生反應(yīng)，便可生成連多硫酸［8］。對(duì)于敏化后的奧氏體不銹鋼易引起應(yīng)力腐蝕開裂，一般為晶間型開裂。這種開裂與奧氏體不銹鋼在經(jīng)歷高溫階段時(shí)碳化鉻在晶界析出，晶界附近的鉻含量減少，形成局部貧鉻區(qū)有關(guān)。晶間型開裂易發(fā)生在奧氏體不銹鋼的敏化區(qū)域，開裂可能在短短幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)迅速擴(kuò)展穿透管道和部件的壁厚。奧氏體不銹鋼為連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂的敏感材料。

2.3 堆焊層裂紋原因分析

變換爐的裂紋全部位于堆焊層表面，裂紋為沿晶開裂，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫元素和氧元素，采用堿中和后未見新生裂紋，結(jié)合連多硫酸應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理可以推斷出:由于焊接的影響，部分堆焊層金屬發(fā)生了敏化，設(shè)備停車時(shí)由于水分和氧氣進(jìn)入變換爐內(nèi)部，與FeS發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了連多硫酸，在焊接殘余應(yīng)力的作用下，堆焊層發(fā)生了開裂。在采用堿中和等保護(hù)措施后，停車后沒有連多硫酸生成，因此，2012年大修后未見新生缺陷，也未見裂紋擴(kuò)展。

3 埋藏缺陷安全評(píng)定

3.1 缺陷的表征

根據(jù)2012年的無(wú)損檢測(cè)報(bào)告，在筒體環(huán)焊縫處發(fā)現(xiàn)一埋藏裂紋，裂紋長(zhǎng)15 mm，深13 mm，高度未知。參照檢驗(yàn)結(jié)果和GB/T19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》的規(guī)定，該裂紋可簡(jiǎn)化為橢圓形型埋藏裂紋(見圖4)。

圖4 裂紋規(guī)則化示意Fig.4 Diagrammatic sketch of crack after regularization注:B為評(píng)定殼體的計(jì)算厚度，mm;p1和p2為埋藏缺陷距離殼體兩表面的距離，mm;a為平面缺陷規(guī)則化后的表征裂紋尺寸，此處為橢圓化后短軸長(zhǎng)度的一半，mm;c為表征橢圓埋藏裂紋長(zhǎng)軸半長(zhǎng)，mm。

裂紋高度2a=10 mm，已知埋藏裂紋深度p1=13mm，殼體厚度 B為88 mm，則 p2=65 mm。對(duì)于失效后果嚴(yán)重的情況，缺陷尺寸取1.1的分安全系數(shù)，因此，a=5.5 mm，c=8.25 mm。

3.2 應(yīng)力確定

在缺陷安全評(píng)定中的應(yīng)力都是指缺陷部位假設(shè)缺陷不存在時(shí)的原場(chǎng)應(yīng)力，而不是應(yīng)力強(qiáng)度，平面缺陷評(píng)定時(shí)所需的應(yīng)力是殼體截面(缺陷平面)上的法向應(yīng)力，應(yīng)按彈性材料行為假設(shè)求得。一次薄膜應(yīng)力是由內(nèi)壓引起的:Pm=PD/2B式中:Pm——一次薄膜應(yīng)力，MPa;

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa;D——?dú)んw內(nèi)徑，mm;

B——評(píng)定殼體的計(jì)算厚度，mm。

一次彎曲應(yīng)力PD忽略不計(jì)，即:PD=0 MPa;二次應(yīng)力主要考慮焊接殘余應(yīng)力，當(dāng)B≥25 mm:

式中:Qb——二次彎曲應(yīng)力，MPa;

Qm——二次薄膜應(yīng)力，MPa;

考慮到失效后果的嚴(yán)重性，各類應(yīng)力均乘以分安全系數(shù)，一次應(yīng)力的分安全系數(shù)為1.5，二次應(yīng)力的分安全系數(shù)為1.0，得到評(píng)定計(jì)算的應(yīng)力。評(píng)定應(yīng)力見表3。

表3 評(píng)定應(yīng)力Table 3 Evaluate stress

3.3 安全評(píng)定

根據(jù)缺陷的尺寸和評(píng)定應(yīng)力，按GB/T19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》計(jì)算得到一次應(yīng)力引起的強(qiáng)度因子(KPI)，二次應(yīng)力引起的強(qiáng)度因子(KSI)，載荷比(Lr)和斷裂比(Kr)，見表4。材料延性斷裂韌度由文獻(xiàn)［9］方法得到。

表4 安全評(píng)定參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculate results of safety evaluate parameters

平面缺陷的常規(guī)評(píng)定采用通用失效評(píng)定圖的方法進(jìn)行。失效評(píng)定曲線(FAC)的方程為:

將計(jì)算得到的載荷比和斷裂比所構(gòu)成的評(píng)定點(diǎn)繪制在常規(guī)評(píng)定通用失效評(píng)定圖中，見圖5。由圖5可以看出，在設(shè)計(jì)載荷下，缺陷的評(píng)定點(diǎn)位在評(píng)定曲線的安全區(qū)內(nèi)，在缺陷沒有擴(kuò)展的情況下，變換爐是安全的。

考慮裂紋擴(kuò)展，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)裂紋深度達(dá)到a為10 mm，長(zhǎng)度 2c為 400 mm 時(shí)，Lr為 1.008，Kr為0.271，評(píng)定結(jié)果仍然安全;

圖5 評(píng)定點(diǎn)在失效評(píng)定圖中位置Fig.5 Position of evaluate point in FAD

當(dāng)深度a為17 mm，長(zhǎng)度2c為440 mm時(shí)，Lr為1.141，Kr為0.363，達(dá)到臨界裂紋尺寸。

4 結(jié)論

對(duì)變換爐焊縫堆焊層裂紋進(jìn)行了金相檢驗(yàn)和腐蝕產(chǎn)物分析，并對(duì)埋藏缺陷進(jìn)行了安全評(píng)定，結(jié)合變換爐的結(jié)構(gòu)、清洗工藝和檢驗(yàn)歷史，得到如下結(jié)論:

(1)金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫堆焊層裂紋為沿晶裂紋，裂紋成網(wǎng)狀;

(2)裂紋由連多硫酸應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生;

(3)對(duì)接環(huán)縫埋藏缺陷的評(píng)定點(diǎn)均位于評(píng)定曲線的安全區(qū)內(nèi)，在缺陷未擴(kuò)展的情況下，變換爐是安全的;

(4)考慮埋藏缺陷擴(kuò)展，當(dāng)裂紋高度達(dá)到a為10 mm，長(zhǎng)度2c為400 mm時(shí)，評(píng)定結(jié)果仍然安全;當(dāng)深度a為17 mm，長(zhǎng)度2c為440 mm時(shí)，達(dá)到臨界裂紋尺寸。

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