鉻鉬鋼制焦炭塔的損傷及其修復處理研究

楊景標　鄭 炯

（廣東省特種設備檢測研究院　廣州　510655）

鉻鉬鋼制焦炭塔的損傷及其修復處理研究

楊景標鄭 炯

（廣東省特種設備檢測研究院廣州510655）

基于某煉油項目焦炭塔的首次和第二次全面檢驗結果，分析了該在用焦炭塔的損傷形式。由于裂紋和腐蝕嚴重，決定對焦炭塔錐段下部進行更換處理。對于鉻鉬鋼復合鋼板的焊接，須嚴格按規定溫度進行預熱和焊后熱處理來降低殘余應力，合理安排焊接順序，嚴格控制層間溫度，避免產生裂紋。更換錐段下部的焦炭塔運行一年后，對所更換錐段和焊縫的檢驗結果表明，焦炭塔整體運行效果良好，所采用的焊接工藝可以有效避免裂紋，沒有產生新生的裂紋和腐蝕現象。

鉻鉬鋼焦炭塔損傷修復

焦炭塔是煉油廠中延遲焦化裝置的核心設備，其工況特點是工作溫度在環境溫度和最高操作溫度之間周期地變化，且生焦周期短，溫度變化速度快；焦炭塔的受力主要包括熱應力和機械應力，特別是操作溫度周期性地變化所產生的交變熱應力，導致焦炭塔主要出現熱機械疲勞和蠕變交互作用下的失效［1］。

由于碳鋼耐熱強度、抗疲勞及蠕變的能力較低，隨著延遲焦化裝置的大型化和高參數化，制造焦炭塔的材料目前以鉻鉬鋼為首選［2，3］。已有的檢驗結果表明，碳鋼制焦炭塔容易發生腐蝕，但鮮見SA387 Gr11 Cl2鉻鉬鋼制焦炭塔腐蝕的相關報道［3-5］。

某煉油項目延遲焦化裝置的焦炭塔直徑為9.8m，主體材質為SA387 Gr11 Cl2+410S，該焦炭塔于2009年投入使用。本文根據該焦炭塔的首次（2011年）和第二次（2014年）全面檢驗結果，分析其損傷情況，并對錐段下部更換修復的焊接工藝及其效果進行研究。

1　焦炭塔損傷情況

焦炭塔錐段和直段焊縫的分布如圖1所示。首次檢驗發現錐段下部出現了深約4mm左右的蜂窩狀腐蝕，在距首次檢驗3年后的第二次全面檢驗結果表明腐蝕進一步加劇，達到了5～8mm的深度。同時，錐段和直段的環焊縫上存在縱向裂紋，首次全面檢驗時對錐段環縫的裂紋打磨消除后，第二次全面檢驗發現仍有新生裂紋。錐段下部的腐蝕坑形貌見圖2，環焊縫裂紋的外觀形貌見圖3。

圖1　焦炭塔錐段和直段的焊縫分布示意圖

圖2　第二次全面檢驗時錐段的腐蝕坑形貌

圖3　第二次全面檢驗時錐段環縫的裂紋形貌

全面檢驗時對焦炭塔進行資料審查和運行數據分析，錐段下部的嚴重腐蝕坑與多種因素有關：使用含氯離子、氨離子等腐蝕性成分的回用水作為清焦水；腐蝕嚴重區域距離清焦高壓水管比較近，介質流速大；該區域距離轉油線入口也比較近，溫度高；介質從下往上流動至該部位直徑突然變大，容易出現氣蝕等；以上多重因素共同導致該區域的嚴重腐蝕現象。

圖3的錐段環焊縫縱向裂紋，裂紋產生的主要原因有：

SA387 Gr11 Cl2的焊接再熱裂紋傾向比較大，Cr、Mo元素的碳化在焊接時發生固溶，焊接結束后冷卻時來不及析出，在再熱條件下Cr、Mo的碳化物在晶內沉淀析出，使晶內強化；同時，材料中S、P等雜質也會向晶界析集，使晶界的塑性變形能力下降。在晶內強度的提高和晶界塑性變形能力降低共同作用下，當殘余應力的松弛集中于晶界，實際變形量超過其塑變能力時，便容易導致再熱裂紋的產生［6］。

焊接接頭的應力狀態是引起裂紋的另一直接原因。SA387 Gr11 Cl2母材、焊縫一般具有相對較低的塑性變形能力，且兩者塑性不同，易在焊接缺陷處出現應力集中，加上氫的擴散聚集，致使誘發裂紋的臨界應力值低，容易導致裂紋。

2　錐段更換修復工藝

檢驗結果表明焦炭塔錐段下部材料的抗腐蝕能力不足，需提高復合板的耐腐蝕等級。新更換的錐段材料選取SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625復合板，板厚為48+3mm。

焦炭塔比較苛刻的運行條件要求其焊接接頭必須具備良好的高溫持久強度和沖擊韌性，同時要求復層的堆焊層必須具備良好的耐腐蝕性能，因此必須對焦炭塔主體材料復合鋼板基層SA387 Gr11 Cl2的焊接和復層的耐蝕層堆焊進行嚴格的焊接工藝試驗。

2.1鉻鉬鋼的焊接特點

復合鋼板SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625的基層為低合金珠光體耐熱鋼，具有一定的淬硬傾向。預熱可以降低焊接接頭的冷卻速率，使焊接接頭不易形成淬硬組織，從而防止裂紋的產生。一般在低合金耐熱鋼焊接過程中，為了防止焊接接頭裂紋的發生，預熱和保持層間溫度非常必要［7］。控制層間溫度的主要目的是為了降低冷卻速率，并且可以促使擴散氫的逸出，有利于防止裂紋。如果層間溫度過高，又使得晶粒過于粗大，從而影響焊接接頭的塑性和韌性，不利于防止裂紋，因此須控制層間溫度不高于250℃。

為了消除殘余應力，降低焊縫硬度以獲得良好的焊接接頭力學性能，焊后需進行高溫回火焊后熱處理。焊后消氫熱處理350℃×2h，可以加強焊接接頭的氫逸出，并且減緩冷卻速率。

綜合低合金耐熱鋼的焊接特性和焊前焊后的熱處理要求［8］，對焦炭塔錐段下部焊縫的焊接采用如下的工藝。所更換的錐段下部和直段見圖1。

2.2焊接工藝

縱縫和環縫的破口形式及尺寸分別如圖4和圖5所示。

圖4　縱縫破口形式及尺寸

圖5　環縫破口形式及尺寸

1）縱縫母材為SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625，環縫母材為SA387 Gr11 Cl2（板厚為44mm）和SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625。基層焊接時，為保證焊接接頭具有與母材相匹配的高溫持久強度和韌性，選用熔敷金屬化學成分與母材成分相近的R307G焊條，規格為φ3.2mm和φ4.0 mm；復層采用ENiCrMo-3焊條。

2）焊前首先對破口進行打磨除銹。根據板厚，破口兩側邊緣各100mm范圍內的基層母材焊前預熱溫度取值為≥120℃。采用多層多道焊形式，控制層間溫度不低于預熱溫度，且≤250℃。堆焊過渡層前，基層母材的預熱溫度不低于100℃，覆層層間溫度不得高于120℃。中途停焊和焊接結束后立即進行消氫熱處理，溫度選擇為350℃×2h。

3）對于環縫，基層焊接結束后，按1：3堆焊出平滑的斜面，將該環縫蓋住，使覆層金屬平滑過渡到基層母材。

4）縱縫和環縫的焊接工藝參數見表1。

表1　縱縫和環縫的焊接工藝參數

新更換錐段和直段縱縫的焊接、無損檢測、焊后熱處理、除銹噴漆工作等在制造廠內完成，并測量大小端口的直徑與周長，為現場環縫的切割和組對提供準確的數據。

2.3焊縫檢驗檢測

●2.3.1外觀檢驗

所有焊接接頭表面應圓滑過渡，不允許存在咬邊、裂紋、氣孔、弧坑、夾渣等缺陷；焊接接頭上的熔渣和兩側的飛濺物須打磨和清理干凈。

●2.3.2無損檢測

所有無損檢測須在焊后24h后進行。

熱處理前，對所有鉻鉬鋼接頭按照JB/T 4730.2—2005 《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》進行100%的RT檢測，II級合格，檢測技術等級為AB級；對所有鉻鉬鋼接頭按照JB/T 4730.3—2005 《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》進行100%的UT檢測，I級合格，檢測技術等級為B級［9］。

熱處理后，對鉻鉬鋼接頭進行20%的UT檢測，若發現不合格缺陷，需進行100%的UT檢測。

所有的鉻鉬鋼焊接破口，氣刨清根處，臨時裝配件去除后的表面，以及最終熱處理后的鉻鉬鋼按照JB/T 4730.4—2005 《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》進行100%的MT檢測，I級合格，檢測技術等級為B級。

覆層側破口，覆層上臨時裝配件去除后的表面，待堆焊面，覆層堆焊完熱處理后的堆焊表面，按照JB/T 4730.5—2005 《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進行100%的PT檢測，I級合格。

最終熱處理后，對焊縫進行硬度測定，鉻鉬鋼焊接接頭硬度值不得高于225HB。

2.4焊后熱處理

待無損檢測合格后，采用電加熱的方式對所有焊縫進行焊后消除應力整體熱處理。熱電偶布置在錐段的外壁上，并與焊縫一側邊緣的距離為50mm左右。整體焊后熱處理溫度為690±14℃，保溫時間為4h。400℃以上升降溫速率的工藝曲線如圖6所示。

圖6　焊后熱處理溫度曲線

3　修復處理效果驗證

焦炭塔修復后運行滿1年后，利用臨時停機檢修，對更換的錐段進行檢驗，以驗證更換修復的焊接質量和整體運行狀況。

3.1檢驗內容

針對錐段更換的焊接工藝是否合理和現場焊接質量是否滿足要求，根據焦炭塔運行工況、介質、溫度、壓力循環異常情況，檢驗重點部位是更換錐段的母材、縱縫、環縫和堆焊層。根據焦炭塔實際的使用情況和失效模式制定檢驗方案進行檢驗，檢驗方法以宏觀檢查、壁厚測定、表面無損檢測為主，必要時采用其他檢測方法。由于臨時停機時間短，最后確定對更換錐段進行100%的宏觀檢查，并對所更換錐段下部的焊縫進行100%的MT檢測。

3.2檢驗結果

更換后的錐段、未更換的錐段及其連接環縫的宏觀形貌見圖7。

圖7　新更換錐段運行一年后的宏觀形貌

從圖7的檢驗結果來看，新更換的錐段表面情況良好，未出現明顯的腐蝕。新更換錐段上方的未更換錐段母材表面腐蝕坑還存在，但未見明顯的擴展。這表明腐蝕嚴重部位集中在所更換的下部錐段。

新更換的錐段和未更換錐段的復合焊縫連接處無裂紋，這表明更換修復處理的焊接工藝合理，避免了冷裂紋和再熱裂紋的發生，同時由于選用了抗腐蝕級別更高的復合板而提高了復層的耐腐蝕性能［10］。由于運行期間對操作工藝和水質進行了控制，整體運行效果良好。

為了繼續驗證焦炭塔修復處理的效果，需對焦炭塔錐段下部及其焊縫進行定期檢驗，并嚴格控制操作條件。如條件允許，將對更換的錐段下部進行殘余應力檢測，以提供焊接質量和效果的直接證據。

4　結論

1）對于淬硬傾向大的鉻鉬鋼復合鋼板的焊接，做好焊前預熱和焊后熱處理是關鍵的控制環節，應按規定溫度進行預熱和焊后熱處理來降低殘余應力、利于氫的逸出，合理安排焊接順序，嚴格控制層間溫度和焊接線能量，避免產生冷裂紋。

2）中途停焊和焊接結束后須立即進行消氫熱處理，工藝選擇為350℃×2h。所有無損檢測須在焊后24h后進行，確保焊接接頭沒有超標缺陷。

3）嚴格控制操作條件，盡量延長生焦周期，加強對切焦水質的管理，同時做好焦炭塔錐段的應變和溫度監測工作。建議繼續利用停爐清焦的臨時停機時間對焦炭塔進行檢驗，觀察運行環境對焦炭塔的裂紋和腐蝕的影響，對焦炭塔的安全性能作進一步的評估。

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［廣東省特種設備檢測研究院科技項目（焦炭塔合于使用評價關鍵技術研究）：2015CY02］

Research on Damage and Repair of the Chrome-Molybdenum Steel Coke Drum

Yang JingbiaoZheng Jiong
（Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and ResearchGuangzhou510655）

Based on the results of the first and second periodic inspection of the coke drum in an oil refinery，the damage forms of the coke drum in service were analyzed. Replacement of the lower part of the cone of the coke drum was carried out due to the severe cracks and corrosion. For welding of Chrome-Molybdenum steel composite steel plate， the processes should be strictly in accordance with the provisions of the temperature of preheating and post welding heat treatment， reasonable welding sequence arrangement， and the temperature between layers to reduce residual stress and avoid cracks. After one year running of the coke drum， inspection results without new cracks and corrosion， and the operation of the replaced cone section was in good condition， which showed that the welding process could effectively avoid the generation of cracks and corrosion.

Chrome-Molybdenum steelCoke drumDamageRepair

X933.4

B

1673-257X（2016）08-0006-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.002

楊景標（1978～），男，博士，副部長，高級工程師，從事特種設備檢驗檢測及科研工作。

2016-03-15）