高含硫天然氣凈化關鍵塔器焊縫缺陷成因及修復技術

屈丹龍

(中國石油化工股份有限公司油田勘探開發事業部，北京 100728)

國內某氣田天然氣硫化氫和二氧化碳含量高，具有較強的腐蝕性，運行風險高。凈化裝置有一級主吸收塔12臺，于2009年10月陸續投入使用。一級主吸收塔為高壓高含硫復合鋼厚壁塔器，屬關鍵核心設備，近年來檢驗發現，10臺塔器筒體焊縫埋藏缺陷超標，存在裂紋擴展、開裂、導致硫化氫泄漏的重大風險，而國內對此尚無相關成熟修復經驗。通過技術研究攻關，首次完成了高含硫厚壁復合鋼塔器深度埋藏缺陷檢測和缺陷成因綜合分析；結合裝置檢修完成了1臺一級主吸收塔的現場修復及整體熱處理，為保障裝置連續運行、滿足下游天然氣供應，對剩余9臺一級主吸收塔進行了安全評定和監控使用，保證關鍵塔器安全、合規運行。

1 設備概況

一級主吸收塔C-101為Ⅱ類壓力容器，介質為原料氣和胺液；塔內徑φ3 700 mm，高度22.3 m，共12臺；設計壓力9.1 MPa，設計溫度160 ℃；筒體材質為SA516-GR70+堆焊316L，厚度為(128+4.5)mm；封頭材質與筒體相同，厚度為(74+4.5)mm。該設備每臺有10條縱焊縫(A1～A10)和6條環焊縫(B1～B6)。

2 深度埋藏缺陷檢測技術研究及應用

2.1 集成應用超聲和TOFD檢測方法形成焊縫全方位檢測技術

超聲和TOFD綜合檢測技術具有檢測靈敏度高、定量精度高、檢測效率高等優勢，并具有缺陷定位功能。該技術有效提高了缺陷檢出率和準確率，同時實現了不同檢測方法檢測結果的相互比對、印證，選用“兩種聲束角度+單面雙側掃查”、“非平行+平行掃查”方法，檢測覆蓋率達到100%。集成應用該技術對10臺一級主吸收塔進行檢測，共檢出404處超標缺陷(如圖1～圖3和表1所示)，并首次發現了0.5 mm級微小埋藏裂紋【1】。

2.2 缺陷綜合分析

對缺陷深度、高度、位置、分布等進行綜合分析，發現缺陷三大分布規律：

1) 埋藏缺陷以橫向缺陷為主；

2) 橫向缺陷主要分布在縱焊縫上；

3) 單個橫向缺陷較均勻，自身高度基本上都小于10 mm。

3 深度埋藏缺陷成因綜合分析

3.1 取樣

為查明焊縫埋藏缺陷成因，制定了取樣方案，并確定取樣部位。選取具有代表性的2處塔器缺陷部位進行全厚度取樣(分別以平臺以上190 mm和1 220 mm為圓心，直徑約φ250 mm)，制定取樣工裝，并進行工廠模擬取樣試驗；模擬取樣成功后，再進行現場取樣；取樣后修整切口并采用新增法蘭及法蘭蓋的方式進行封閉修復。取樣位置及現場取樣照片如圖4所示。

圖1 焊縫檢測示意

圖2 縱焊縫橫向缺陷位置示意

圖3 各系列缺陷數量統計

表1 A2縱焊縫橫向缺陷情況

試件1上含有2條缺陷(A5-1、A5-2)，試件2上含有3條缺陷(A5-12、A5-13、A5-14)，缺陷情況如表2所示。

3.2 焊縫缺陷成因分析

采用直讀光譜儀、掃描電鏡、氧氮氫分析儀、擴散氫分析儀等設備，開展試樣解剖、化學成分分析、試樣溶解氫和擴散氫含量檢測、金相分析、斷口形貌分析等試驗，判斷濕硫化氫環境對缺陷形成和擴展是否有影響，并綜合分析缺陷形成原因，為設備修復及預防提供技術支撐。

圖4 取樣位置及現場取樣照片

表2 試件缺陷情況

3.2.1 焊縫性能常規分析

對試件進行試驗室分析得出：焊縫化學成分符合要求、拉伸性能滿足ASME SA516中對70鋼板的要求，取樣焊縫韌性儲備高(金屬沖擊功達200 J)、氫含量較低(擴散氫0.009 mg/L、溶解氫0.15 mg/L)。對取樣部位內壁堆焊層進行了晶間腐蝕試驗，結果顯示，試樣彎曲無裂紋、無晶間腐蝕【2】。典型分析數據如表3～表7所示。

表3 化學成分分析結果 單位：w,%

表4 拉伸試驗結果

表5 沖擊試驗結果

表6 焊縫內氫含量分析結果

表7 晶間腐蝕試驗結果

3.2.2 裂紋缺陷金相分析

宏觀形貌顯示，裂紋集中出現在焊縫X坡口交界區。裂紋高度基本都局限在一層焊道上，多數未進入焊道熱影響區，裂紋面與筒體內、外表面約呈45°夾角，并具有“八”字形形貌。根據各項試驗結果及裂紋特征，確定裂紋不是在使用中因濕硫化氫損傷引發的。

微觀形貌顯示，2個試件上裂紋均有共同特點，是由相互平行的小裂紋串連在一起形成的，斷口以穿晶斷裂為主，具有典型的焊接冷裂紋特征，且運行過程中缺陷未擴展。取樣部位裂紋金相分析及形貌特征如圖5～圖7所示。

圖5 取樣部位

圖6 裂紋宏觀形貌

3.3 裂紋缺陷分析結果

根據試驗結果綜合分析認為：焊縫金屬及堆焊層化學成分、鐵素體含量、焊縫氫含量均在正常范圍，焊縫的抗拉伸性能、抗沖擊性能較好，不是形成埋藏裂紋缺陷的因素；一級主吸收塔焊縫中檢測出的埋藏裂紋從出現的部位、裂紋金相等方面均不具備濕硫化氫環境下氫致開裂的特征，屬于焊接冷裂紋性質，為制造過程中產生的缺陷；運行過程中缺陷未發生擴展。

圖7 裂紋微觀形貌

4 基于主導失效模式的缺陷安全評定

為保證關鍵塔器安全、合規運行，針對剩余9臺一級主吸收塔，在缺陷檢測及成因分析的基礎上，結合設計、制造、運行情況，分析塔器主導失效模式，開展合于使用評價，采用相應的評定方法進行評定。

4.1 容器中的凹坑對使用的影響

在筒體基層留下的凹坑、壓痕、凹槽等缺陷，可能導致塔器由于強度不足而發生韌性斷裂失效。這類缺陷按照凹坑進行評定，以確定其是否在可接受的范圍。

2臺一級主吸收塔(121-C-101和152-C-101)共檢出2處筒體基層的凹坑。其中121-C-101凹坑長13 mm、深2 mm，152-C-101凹坑長60 mm、深3 mm。按GB/T 19624—2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》對這2處缺陷進行表征和評定。凹坑缺陷無量綱參數如表8所示。

計算厚度B取9臺塔器實測基層最小壁厚128.3 mm，減去1 mm的腐蝕裕量，為127.3 mm；平均半徑R=(D+B)/2=1 918.2 mm。

表8 凹坑缺陷的無量綱參數

注：2X—凹坑長度；Z—凹坑深度；B—缺陷附近殼體的計算壁厚；R—平均半徑 ；G0—凹坑缺陷的無量綱參數。

塔器表面凹坑缺陷的無量綱參數G0可按式(1)計算：

(1)

若G0≤0.1，則該凹坑缺陷可免于評定，認為是安全的或可以接受的；否則應計算塔器的塑性極限載荷和最高允許工作壓力，并與塔器的實際工作壓力進行比較，以確定該凹坑缺陷是否安全或可以接受。

將凹坑參數代入式(1)計算可得，需評定凹坑的G0值均小于0.1，因此，2臺塔器的凹坑類缺陷均符合免于評定條件，是安全的，允許存在。

4.2 埋藏缺陷對容器使用的影響

檢測發現9臺塔器對接縱、環焊縫中存在大量埋藏超標缺陷，可能導致塔器發生脆性斷裂失效。這類缺陷參照《在用含缺陷壓力容器安全評定》進行評定，結果顯示，9臺塔器缺陷的常規評定點均落在安全區以內(如圖8所示)，說明這些超標缺陷通過常規評定，確認是安全的。

圖8 安全評定

4.3 工作壓力波動對容器的影響

9臺塔器使用過程中壓力比較穩定，波動范圍為7.6～8.1 MPa，波動范圍較小，對容器焊縫影響不大。

4.4 缺陷安全評定結果

通過對塔器進行合于使用評價，結果顯示，上述9臺塔器可在設計條件下繼續使用，但應按照推薦的監測周期進行定期檢測。

5 深度埋藏缺陷修復及整體熱處理技術研究

本次缺陷修復創新出集成“深度缺陷修復+焊縫全體積置換+內燃法整體熱處理”的維修模式，研發出內壁堆焊層焊接、基層焊接及整體消氫消應熱處理工藝，成功實現了復合鋼多材質厚壁塔器缺陷修復技術。

5.1 研發復合鋼大壁厚塔器現場修復焊接工藝

針對埋藏缺陷深度(以外表面計)超過壁厚一半的情況，采用內側修復方式進行修復；靠近外壁的埋藏缺陷從外側進行修復；埋藏缺陷較多，整條焊縫均有分布的情況則進行焊縫全體積置換。

首先確定一級主吸收塔修復工藝：整體消氫熱處理→MT、UT、TOFD 檢測→筒體內側進行缺陷清除(碳弧氣刨、砂輪機)→PT檢測(直至缺陷消除)→E309L 補堆→PT 檢測→E316L 補堆→PT、UT、TOFD檢測→筒體外側進行缺陷清除(碳弧氣刨、砂輪機)→MT檢測(直至缺陷消除)→缺陷修補(層間溫度≤150 ℃)→MT、UT、TOFD 檢測→整體消應熱處理→MT/PT、UT、TOFD 檢測→焊接接頭硬度檢測→水壓試驗→水壓試驗后MT/PT、UT、TOFD檢測。

然后開展焊接工藝評定，完成屈服強度、抗拉強度、硬度、金相檢測、HIC、SSC、SCC等試驗，確定坡口型式、焊接材料、焊接參數等關鍵技術數據，形成了適用于復合鋼大壁厚塔器的焊接工藝并完成現場修復【3-4】。

確定的焊接工藝參數如表9所示，坡口型式如圖9所示。

圖9 坡口型式

5.2 研發高壓大壁厚酸氣處理塔器現場整體熱處理技術

一級主吸收塔為(128+4.5)mm的厚壁容器，修復后采用局部遠紅外電加熱方式無法有效去除應力。為消除修復焊接后產生的殘余應力、改善焊接接頭和熱影響區組織性能、防止產生氫脆和裂紋、穩定容器幾何尺寸以及提高使用壽命，通過研究論證，現場首次采用內燃法進行350 ℃整體消氫熱處理和620 ℃整體消應熱處理。

表9 確定的焊接工藝參數

5.2.1 熱處理工藝參數確定

通過鋼材比熱及導熱系數、保溫比熱及導熱系數等數據，計算得出整體熱處理總耗熱量，創新應用比例控制燃油燃燒器，采用集散控制系統，對溫度進行智能化測量和控制。熱處理工藝參數如表10所示。

表10 熱處理工藝參數

注：Q1—塔體壁板升溫所需熱量；Q2—塔體壁板與保溫的熱損失；Q3—保溫層的蓄熱損失；Q4—爐廢氣帶走的熱量；Q5—燃料化學不完全燃燒損失的熱量；Q6—燃料機械不完全燃燒損失的熱量。

5.2.2 熱處理方法研究

采用內燃法對主吸收塔進行整體熱處理。以主吸收塔內部為爐膛，選用輕柴油為燃料，主吸收塔外部用保溫材料進行絕熱保溫，通過鼓風機送風和噴嘴噴射的方式將燃料油噴入并霧化，由電子點火器點燃；隨著燃油不斷燃燒產生的高溫氣流在塔體內壁對流傳導和火焰熱輻射作用，使塔體升溫到熱處理所需的溫度。整體熱處理示意如圖10所示。

圖10 整體熱處理示意

消氫熱處理曲線如圖11所示，消應熱處理曲線如圖12所示。

圖11 消氫熱處理曲線

圖12 消應熱處理曲線

5.2.3 熱處理過程應力強度校核

由于塔體的重量由裙座支撐，而熱處理時隨溫度的升高裙座的強度自然降低，因此須進行應力強度校核。通過建立有限元網格模型、計算熱工溫度場等對裙座與下封頭連接處進行應力強度校核，保證熱處理過程安全。有限元網格模型如圖13～圖15所示。

圖13 有限元網格模型

圖14 溫度場分布

采用分析設計方法對應力進行分類并對應力強度評定進行校核，如表11所示。

由表11可知：塔器現場整體熱處理時，溫差和熱應力、應力強度均滿足要求，現場熱處理過程是安全的。

圖15 應力分布

6 結論

針對在關鍵塔器中發現的焊縫埋藏超標缺陷，通過開展相關技術研究與探索，形成了一套有效的塔器焊縫缺陷現場檢測、修復、評定技術。首次完成了高含硫復合鋼厚壁塔器精準檢測、缺陷成因分析、現場修復及整體熱處理以及安全狀況評定。對通過安全評定的塔器每半年進行一次在線監測，監測結果顯示，缺陷未擴展。修復后的塔器已連續安全運行1 120天。本次修復的成果主要有以下幾點：

表11 應力分類及應力強度評定校核

1) 創新應用的TOFD檢測技術在無損檢測靈敏度、缺陷定位和定量等方面的優勢，被大壁厚塔器焊縫埋藏缺陷的檢驗所證明，具有進一步推廣價值。

2) 首次完成了高含硫厚壁塔器焊縫現場修復和整體熱處理， 經100%UT、TOFD、MT檢測合格，水壓試驗也合格。本次實踐的成功為高含硫厚壁塔器的修復找到了有效方法。

3) 完成了高含硫厚壁塔器缺陷的成因分析，可對塔器焊接工藝及檢測技術的優化和改進起到指導作用。

4) 完成了高含硫厚壁塔器焊縫缺陷的合于使用評價，形成了一套評價方法，通過現場科學監控使用，保障了裝置的安全、合規使用。