渣油加氫裝置Ⅰ系列第四加氫反應器人孔法蘭裂紋修復工藝分析

■ 孫成武，劉民，王萬祥，史運貞，吳偉陽，晏永權，劉劍鋒，吳霜，柴世成，袁繼軍

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加氫反應器是石化行業的關鍵設備，因承壓較高，介質含有H2、H2S等氣體，設備材料的選用及制造工藝相對比較特殊。近年來，國內雖有過加氫反應器法蘭密封面出現裂紋并成功修復實例，但2017年4月大連石化公司300×104t/a渣油加氫裝置停檢中發現的Ⅰ系列第四加氫反應器R1804法蘭裂紋的形態更為嚴重。本文就大連石化公司300×104t/a渣油加氫裝置法蘭裂紋修復工藝及其可行性做一分析介紹。

圖1 R1804加氫反應器結構

1. 加氫反應器基本參數及裂紋情況

（1）基本參數 設備基本尺寸：φ5213mm×23150mm×（347+7.5）mm；主體材質：SA-336M-F22V+TP309L+TP347；設計壓力：21.05MPa，操作壓力：19.8MPa；設計溫度：454℃，操作溫度：418℃；工作介質：渣油、H2、H2S。

（2）裂紋情況 該設備（見圖1）為日本神鋼制造，總重1050t。2008年8月投用后，在歷次的停工檢修定期檢測和換劑過程中的檢查均未發現異常。2017年4月，裝置停工檢修期間對反應器各接管法蘭密封面進行著色檢驗，發現反應器DN750人孔法蘭環連接面外斜面及底平面存在較大裂紋缺陷（見圖2～圖4），裂紋累計長約1900mm，占密封面周長的三分之二，裂紋形狀主要為單條和樹枝狀兩種特征。

2. 設備主體材質性能分析

（1）性能特點 主體材質由基層SA-336M-F22V（347mm）、過渡層TP309L（3mm）及覆層TP347（4.5mm）組成，材質化學成分如表1所示。 SA-336M-F22V屬于珠光體耐熱鋼，有較好的力學性能、韌性和耐氫蝕性能。其合金成分Cr的主要作用是提高耐腐蝕性，Cr的氧化物比較致密，不易分解，起到保護膜作用；Mo是鋼中主要強化元素，Mo優先進入固溶體使其強化，提高鋼的熱強性；V是強碳化物形成元素，所形成的VC呈彌散分布，V的加入能促進Mo全部進入固溶體，提高鋼的高溫強度。

TP309L、TP347都是奧氏體不銹鋼，TP309L屬于23-13型奧氏體不銹鋼，與18-8型奧氏體不銹鋼相比，因為Ni元素含量較高，常常用做異種鋼填充金屬的焊接或復合鋼的過渡層。

TP347屬于18-8型奧氏體不銹鋼，與TP304和TP321相比，TP347含有穩定化元素Nb，Nb與C能形成更加穩定的NbC，因此TP347耐晶間腐蝕性能更加優越。

（2）焊接性分析 SA-336M-F22V主要合金元素中的Cr、Mo都能顯著提高鋼的淬硬性，當焊接拘束度大，冷卻速度快時，易產生冷裂紋。同時，因該金屬材料含有合金元素V，在500~700℃敏感溫度區焊后熱處理或長期高溫工作中，在熱影響區和熔合線附近的粗晶區內存在再熱裂紋傾向。

預熱和焊后熱處理是防止珠光體耐熱鋼焊接冷裂紋和再熱裂紋的有效措施。對SA-336MF22V焊前預熱及焊后熱處理不僅是為了消除焊接殘余應力，更重要的是為了改善接頭組織，降低焊縫硬度，提高接頭的高溫蠕變強度等綜合力學性能。

表1 主要材質化學成分（質量分數） （%）

圖2 人孔法蘭環連接面結構尺寸

圖3 人孔法蘭環連接面裂紋

圖4 法蘭環連接面外斜面及底平面裂紋

TP309L、TP347奧氏體不銹鋼焊接性相對較好，在任何溫度下都不會發生相變，對氫脆不敏感，焊縫金屬也有較好的塑性和韌性。但是TP309L由于含Ni量高，奧氏體穩定化大，故有一定的焊接熱裂紋傾向。

3. 人孔法蘭密封槽裂紋修復工藝及可行性分析

圖5 法蘭消氫溫度控制曲線

總體方案：首先消除裂紋，然后依次進行過渡層堆焊、過渡層粗加工和覆層堆焊三個步驟，最后進行密封面精加工，具體工藝如下。

（1）裂紋的消除 第一，消氫處理：消除裂紋前首先對人孔法蘭進行整體消氫處理，其目的就是降低法蘭金屬中氫的含量，提高金屬塑韌性，降低冷裂傾向，防止裂紋在消除中發生延展，消氫處理溫度控制曲線如圖5所示。

用電加熱帶對法蘭整體包扎加熱，為防止出現加熱不均勻情況，需要對法蘭內孔壁、外側壁面及法蘭盤密封面同時加熱。

第二，裂紋消除：消氫處理后采用動力頭現場對法蘭密封槽底部和側面進行整體車削以消除裂紋。①當密封槽底部及側面車削深度達到3.5mm時，TP347覆層雖然已經清除，著色檢查裂紋仍然存在，由此可以判斷裂紋已經深及過渡層。②繼續進行車削處理。車削總體深度達到7.5mm后，TP309L過渡層均已清除，著色檢查密封槽底部及側面，裂紋全部消除，據此可以判斷法蘭密封槽裂紋貫穿于覆層和過渡層，止于基層。

（2）堆焊過渡層 第一，預熱：通常情況下為了減少冷裂傾向， SA-336M-F22V鍛件的焊接需要進行不低于200℃的預熱。Cr、Ni含量較高的奧氏體不銹鋼焊條用做SA-336M-F22V的過渡層堆焊時，在鄰近基層一側靠近熔合線附近的奧氏體焊縫中，存在一個窄的低塑性體的奧氏體加馬氏體過渡帶（層），它的存在降低了過渡層的抗裂性，因此堆焊過渡層必須進行預熱。

但是修復中堆焊過渡層選用的WEL309L為超低碳不銹鋼焊條，其熔敷金屬含碳量不超過0.03%，較低的碳含量降低了熔合線低塑性體馬氏體過渡帶的寬度，不利因素相對減少。此外，采用較大的熱輸入進行奧氏體不銹鋼焊接會降低焊縫的抗蝕性，故而層間溫度通常控制在100℃以下。綜合考慮上述三種因素，確定堆焊過渡層的預熱溫度可以低于200℃，最終確定預熱溫度為120~140℃。

第二，焊接：采用焊條電弧焊堆焊過渡層，堆焊高度≥3mm。焊條牌號為：WEL309L、φ4.0mm，堆焊后緩冷至室溫，焊接參數如表2所示，注意控制層間溫度不超過150℃。

第三，最終焊后熱處理：由于局部加熱范圍內的復合鋼過渡層和覆層都是奧氏體不銹鋼，而不銹鋼在敏化溫度（450～850℃）區間內對晶間腐蝕較為敏感，所以這種復合鋼的焊后熱處理應特別慎重。與TP309奧氏體不銹鋼相比，由于TP309L含C量較低，因此該種金屬材料晶間腐蝕傾向也大大減少；TP347L焊條含有穩定化元素Nb，Nb與C能形成更加穩定的NbC，因此TP347L焊條耐晶間腐蝕性能更加優越。SA-336M-F22V在500～700℃敏感溫度區間具有再熱敏感傾向也是不能回避，因此熱處理工藝的擬定必須綜合考慮以下因素：①避免在回火脆性及再熱裂敏感的500～700℃內進行，在此溫度區間內升降溫均應以相對較快的速度進行。②局部熱處理必須保證受熱寬度大于焊件壁厚的2~3倍，且至少≥150mm。實際確定熱處理工藝曲線如圖6所示。

（3）過渡層粗加工 采用動力頭對WEL309L堆焊層進行粗加工，保證過渡層高度滿足3mm。對加工后的堆焊層進行著色檢測，探傷標準：NB/T47013—2015，Ⅰ級合格。

（4）堆焊覆層 采用TP347L焊條電弧焊堆焊，堆焊高度≥4.5mm（見圖7）。焊條牌號為：WEL347L、φ4.0mm，焊接層間溫度＜100℃。

（5）密封面精加工 采用動力頭對堆焊層進行加工，各項尺寸符合圖2要求，并用專用研磨環進行研磨，充分保證法蘭的密封要求。修復后即進行設備人孔法蘭回裝，經氣密檢查，法蘭密封無泄漏。至今投入生產運行已達10個多月無異常。

表2 裂紋修復焊接參數

圖6 最終焊后熱處理工藝曲線

圖7 WEL347L堆焊層表面

4. 結語

修復后實際應用結果表明，渣油加氫裝置Ⅰ系列第四反應器R1804人孔法蘭密封槽裂紋現場修復方案合理可行，修復措施控制得當，修復結果達到使用要求。該臺設備法蘭密封槽較大裂紋的成功修復，為國內加氫反應器裂紋故障處理積累了寶貴經驗。