蠟油加氫反應器出口奧氏體不銹鋼法蘭梯形槽裂紋修復

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(中國石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210046)

1 裂紋情況

中國石化某分公司蠟油加氫裝置2009年建成投產，設計規模2.60 Mt/a，反應器及出口彎頭設計參數見表1。2017年8月大修期間，對裝置壓力管道進行全面檢驗，發現反應器出口彎頭設備頭側法蘭底部R角部位存在裂紋，裂紋長度約為540 mm，其宏觀照片見圖1。

表1 反應器及出口彎頭設計參數

圖1 不銹鋼法蘭梯形槽底部裂紋

將裂紋表面初步打磨處理，采用相控陣檢測進行定位檢測(見圖2)，測出該裂紋深度約為6 mm。依據標準NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》對裂紋評級，評定為Ⅲ級(見表2)。

表2 R101裂紋相控陣檢測結果

圖2 法蘭梯形槽底部裂紋相控陣檢測

2 裂紋修復

2.1 修復方案

法蘭梯形槽底部寬度只有28.9 mm，現場無法采取金相檢測等手段來進一步研究判斷裂紋成因。同時，裝置常規檢修工期只有24 d，該法蘭訂購加工周期長，更換過程的焊接檢測工期更長。經過技術部門反復論證，確定采用北京某公司高能脈沖精密冷補技術進行缺陷修復。

該法蘭運行環境中含H2、高溫油氣和H2S等介質，且在高溫高壓的復雜工況下工作，使用一般焊接技術修復會使得法蘭易出現氫致裂紋，給后續生產過程造成安全隱患。高能脈沖精密冷補技術采用高脈沖能量，作用時間短，熱影響區小，熱輻射半徑0.4～1.6 mm，能保證焊接后材料性能無退化、無宏觀熱變形，實現材料表面的“低溫修復”，避免焊接過程因溫度過高產生的熱應力和基體變形。同時，在修復過程中用氬氣在電弧周圍形成氣體保護層，從而防止空氣對熔池及鄰近熱影響區等部位產生不良影響。

2.2 修復前準備

(1)根據著色探傷(PT)結果和相控陣檢測確定裂紋范圍及深度；對裂紋部位進行除油、除銹等預處理。

(2)采用不銹鋼磨頭進行機械打磨，將金屬表皮去除，消除裂紋，直至露出無缺陷基體材料。注意清除裂紋時不能使用碳弧氣刨等方式，防止增加坡口邊緣的淬硬傾向，影響焊接質量。

(3)打磨坡口為梯形，坡口寬度為5～10 mm，打磨過程中需采取PT探傷檢查。隨著打磨的進行，發現裂紋呈階梯狀擴展，見圖3。打磨后測得該裂紋總長約580 mm，且8處裂紋缺陷打磨深度均在5 mm以上才徹底消除，其中最深達24 mm。待裂紋消除后，對打磨處表面修整，再進行PT探傷，未發現裂紋為打磨合格(見圖4)。

圖3 機械打磨及裂紋擴展形貌

圖4 裂紋消除后梯形槽底部PT檢測

2.3 熱處理及補焊

2.3.1 補焊材料選擇

高能脈沖精密冷補技術通過采用斷續的高能電脈沖在母材及電極之間產生瞬時電弧，電弧瞬間將修復材料和基體迅速熔結在一起。電弧持續時間約為幾十毫秒，而兩個電弧之間的間隔時間約為幾十毫秒到上百毫秒，從而保證實現“低溫修復”[1]。該次冷補采用ER321補焊材料，該補材抗拉強度(Rm)為575 MPa，伸長率(A)為40%，其化學成分見表3。

表3 補材化學成分 w，%

2.3.2 消氫熱處理

實際補焊時，引弧后發生炸裂現象，導致無法繼續修復。主要原因是該彎頭處于高溫高壓臨氫工作環境，母材中仍含有許多未逸出的氫原子，造成引弧炸裂現象，補焊時也容易引起裂紋。

理論上來說，奧氏體不銹鋼具有較低的氫脆敏感性，氫在奧氏體不銹鋼中的滲透擴散能力低，且受合金成分、冷加工狀態和熱處理狀態的影響不大[2-3]，奧氏體不銹鋼返修可以不消氫。鑒于實際補焊過程發現不消氫無法焊接的問題，經技術論證，決定進行消氫處理，加速焊接部位氫的逸出，改善焊接性能。具體熱處理工藝如下：(1)整個彎管用熱處理爐加熱消氫。進爐擺放要墊平整，以防彎管變形，且擺放時返修法蘭擺在爐內溫度較高區域。(2)前期溫度低時，可只用點火棒加熱，確保升溫均勻。(3)消氫處理溫度400 ℃，恒溫4 h，升溫速度控制在50 ℃/h。(4)恒溫后先隨爐冷卻， 200 ℃后出爐空冷。(5)采用熱電偶測溫，并用自動記錄儀記錄熱處理曲線，見圖5。

圖5 消氫熱處理工藝曲線

2.3.3 補焊修復

消氫結束后，再次進行補焊修復。補焊時從底部逐層堆焊直到修復層高于基準面，并適當留出余高。焊接過程中采用紅外測溫儀測溫，控制層間溫度不超過100 ℃。

凹坑的修復過程如圖6所示。在修復前必須對凹坑進行整形和表面凈化處理，如果凹坑較小(見圖6a)，可用旋轉工具進行擴大，保證下凹表面的曲率半徑不得小于20 mm(見圖6b)，保證電極能夠深入到凹坑的底部并進行施焊。修復時從底部開始施焊，并不斷調整電極的方向(見圖6c及圖6d)，保證每一個修復層均勻，且不留死角。修復的厚度根據凹坑的深度而定，但必須略高于所要恢復的基體表面(見圖6e)。最后打磨修整修復部位(見圖6f)，使修復部位的高度、平整度等和基體一致。

圖6 凹坑的修復過程示意

修復過程中質量控制要求如下：

(1)嚴格按照修復工藝參數進行修復。

(2)修復過程中電極慢速均勻運動，要求焊點連續、致密。

(3)氬氣保護充分。氬氣流量為8～12 L/min，防止電極和焊層氧化。

(4)如果修復部位呈現碳黑色，說明表層產生了氧化或碳化，繼續修復會出現接合不良以及結晶層粗糙等問題。此時必須用角磨機、銼刀、油石或砂紙來磨除表層的碳黑層，裸露出新鮮金屬層后再進行操作，以確保修復層質量。

2.4 修復層表面加工和檢測

在修復過程中，要求修復層高于母材基準面，因此需要后續機加工。主要采用角磨機、鋼絲刷、磨具或銼刀等工具，通過打磨、研磨乃至拋光的方法處理焊接修復部位，使低溫焊接修復后的表面曲率及表面光潔度與法蘭其他部位保持一致。

最后，對修復層表面進行宏觀檢查，確保修復層光滑平整，焊層均勻致密，與基體連接處光滑平整。采用PT檢查確認無焊接缺陷。補焊后形貌如圖7所示。

3 結論及建議

該反應器彎頭缺陷修復成功后進行回裝，運行正常，未發生開裂和泄漏現象。由于梯形槽底部面積小，無法進行詳細檢查，但從工作環境及裂紋形態分析，該裂紋屬于氫致裂紋。結合該次缺陷修復處理情況，對高壓厚壁奧氏體不銹鋼設備的檢修以及防止開裂提出以下建議:

圖7 修復完成后法蘭外觀及PT檢測

(1)為防止低價中標造成的惡性競爭，建設單位要認真編寫關鍵設備材料的采購技術文件，提高技術門檻，保證原材料的質量。對高壓加氫反應器使用的奧氏體不銹鋼TP321鍛件，可以提出高于國家標準的具體要求，如晶粒度等級要求，不均勻度要求等。加氫裝置反應單元不銹鋼管道使用溫度約為400 ℃，屬于高溫區前段，主要考慮材質的高溫蠕變性能和高溫抗氧化性能。高溫蠕變性能與晶粒度有關，晶粒較大，高溫蠕變性能較好，但常溫力學性能較差，且高溫抗氧化性能也較差，所以要求晶粒度等級適中為宜。

(2)設備、管件制造過程熱成型加工完成后，嚴格按照設計技術文件進行熱處理以便改善不銹鋼抗敏化性能。

(3)裝置運行過程中要平穩操作，反應系統升溫、升壓嚴格按照設備操作規程進行，維護好設備運行狀態。

(4)加氫裝置停工降溫后，反應單元及時按照要求進行充裝氮氣保護或者中和清洗。嚴格按照NACE RP0170—2012《煉油廠停工期間奧氏體不銹鋼設備連多硫酸應力腐蝕開裂的預防》要求進行防護。