加氫反應器接管焊縫疲勞安全性分析

劉明麗（福建省雄偉安全技術咨詢有限責任公司，福建 泉州362012）

1 加氫反應器接管焊縫檢測方法

焊縫檢測常用的方法包括射線探傷方法、超聲探傷法、滲透探傷法、磁性探傷法等，下文具體介紹加氫反應器接管焊縫常用的檢測方法。

1.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法適用于不同位置焊縫檢測活動，檢測過后顯示焊縫方向及相關參數[1]。對比于射線焊縫檢測法，它具有范圍廣、速度快、精確度高等優點，因此，合理運用超聲波檢測法能夠直觀掌握裂紋形貌。

1.2 顯微組織分析法

應用顯微組織分析法進行接管焊縫檢測，能夠細致觀察裂紋根部變化情況，進而預測裂紋擴展趨勢。這能為焊縫疲勞安全性分析提供數據信息，進而有依據的制定修復方案，確保加氫反應器平穩運行[2]。例如，檢測某煉化公司加氫反應器裝置時，運用顯微組織分析法發現弧長為3cm 裂紋，主裂紋邊緣存在微小裂紋，微裂紋呈封閉狀態，其中焊縫裂紋位置如圖1所示。

圖1 接管焊縫裂紋位置

2 接管焊縫疲勞安全性分析試驗

加氫反應器制作材料普遍應用2.25Cr1Mo鋼，這一材料的力學性能較高，被大多數石油煉化行業認可。正常情況下，設計溫度在450℃以下，一旦超出常規溫度，則2.25Cr1Mo鋼疲勞裂紋安全性動態波動，并且此類研究相對較少。基于此，文章對其進行試驗探究，全面總結焊縫疲勞擴展規律[3]。

遵循樣本提取→性能分析→試樣加工→測量計算等流程，其中2.25Cr1Mo鋼力學性能如表1所示。

表1 2.25Cr1Mo鋼力學性能

參照金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法——GB/T6398-2017 進行試樣加工，充分準備自動加熱試驗機器（EHF-ED250-40L）。常溫條件下預制疲勞裂縫，裂縫長度為3cm；中溫環境下對試件保溫或加熱，待保溫時間達半小時后進行試驗，控溫精度為±1℃。試驗期間運用恒載荷法和柔度法，最大載荷、應力比、試驗頻率分別為6.4kN、0.2、11Hz。借助計算機設備采集載荷信號，經分析得知，載荷波形為正弦波。運用顯微鏡測量預制疲勞裂縫長度，經曲率修正計算裂紋擴展速率。

3 試驗結果及焊縫疲勞安全性評定

3.1 試驗結果

利用七點遞增多項式準確獲知裂紋長度、擴展速率等擬合值，并掌握不同溫度下疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子間關系公式，其中，室溫下二者相關系數為0.996；419℃下二者相關系數為0.995。擴展速率范圍在10-5～10-3mm/周時，室溫裂紋擴展速率明顯低于419℃裂紋擴展速率，隨著應力強度因子的增加，不同溫度下，裂紋擴展速率差值逐漸拉大。總結可知，溫度變化與材料強度成反比，即溫度升高后，材料強度隨之降低。如果載荷保持不變，那么裂尖前沿塑性變形隨之增加，一旦材料完整性遭到破壞，則接管焊縫裂紋疲勞安全系數大大降低。

3.2 安全性評定

加氫反應器運行于高溫高壓環境下，操作期間易出現損傷現象，進而在應力集中處產生不同形狀裂紋，參照壓力容器缺陷評定規范進行安全性評定，通過應力分析計算、裂紋疲勞擴展量計算、臨界裂紋尺寸計算得知裂紋臨界長度。應力分析計算時，分別獲知內壓、溫差引起的應力值；裂紋疲勞擴展量計算時，通過條件假設，并利用擴展速率公式獲知裂紋疲勞擴展數據，得知擴展結果為2.28%；臨界裂紋尺寸計算時，憑借等效總拉應力計算公式（σ=σ1+αb?σb+αr?σr）獲知數據平均值，同時，參照脆斷評定要求，按照這一公式獲得不同臨界長度計算結果，具體如表2所示。

表2 接管焊縫裂紋臨界長度

分析表格數據可知，擴展后裂紋長度仍在安全范圍內，但安全裕度較小。由于加氫反應器設備運行環境十分復雜，要想推動設備平穩、安全運行，應采取有效措措施予以防護，盡可能降低設備運行故障率。

4 接管焊縫裂紋產生原因及修復措施

加氫反應器接管焊縫裂紋處理效果對生產效率、產品質量有重要影響，一旦焊縫疲勞安全性分析不到位，則焊縫裂紋處理策略的時效性會大大降低，最終會增加設備安全隱患，一旦發生事故將造成重大的經濟損失，進而導致石油煉化企業經濟利潤空間逐漸縮小。基于此，重點分析接管焊縫裂紋產生原因，據此提出可行性修復對策。

4.1 具體原因

焊管焊縫裂紋出現的原因包括兩方面，第一方面即焊接缺陷，第二方面即堆焊層裂紋缺陷。分析焊接缺陷原因，通過顯微組織得知焊縫裂紋來自焊趾趾根，經焊肉大范圍擴散，直到形成穿透裂紋。常見焊接缺陷形狀有為球狀、氣孔狀，并且邊角位置可見微小裂紋。分析堆焊層裂紋缺陷原因，加氫反應器和接管材質以復合材料為主，基體對氫溶解度較小，但其擴散速度較快，然而堆焊材料與之相反。裝置啟動后，堆焊層氫吸收速度快于溶解速度，致使氫大量集聚于堆焊層，隨著溫度的不斷升高，堆焊層因冷熱差異過大而出現裂縫。除此之外，基體導熱系數明顯大于堆焊層導熱系數和熱膨脹系數，如果差異顯著的材料對接，那么極易形成焊接應力，并轉為交變應力，導致接頭出現裂紋，一旦裂紋持續擴展，最終會形成貫穿式裂紋。

4.2 修復措施

4.2.1優選焊接材料

加氫反應器接管材料對焊接質量、安全系數有關鍵性影響，對于焊縫控制人員來說，應主動與材料采購人員溝通，從安全性、穩定性等角度出發，優選高質量焊接材料。在此期間，客觀分析焊縫金屬性能，優選高溫性能高、抗裂效果良好的焊接材料。當前ENiCrFe-3 焊條耐高溫，且線膨脹系數較優，這既能對殘余應力起到抵御作用，又能提高接管材料焊接適應性，進而全方面保證焊接質量。因為焊接材料質量對焊縫裂紋處理效果有直接聯系，所以要高度重視焊接材料選用工作，經優質材料替換進行裂紋修復，以便全面保證設備安全性，將安全隱患有效消除。由于市場上焊接材料種類多樣，這無形當中提高了材料辨識難度，基于此，應動態關注各類材料更新情況，針對材料性能細致分析，最終選用低成本、高性能接管材料，從整體上優化焊接質量。

4.2.2調整工藝參數

焊縫裂紋修復期間，視情況選用焊接工藝，從實用性、可靠性角度出發，氬弧焊、手工電弧焊相結合焊接方式最為常用，其中氬弧焊焊道直徑為0.25cm 焊絲，其余焊條直徑為0.32cm，焊接電流控制在85～115A之間，適宜焊接方式為短弧焊。不同焊道焊層的焊接方式、電弧電壓、填充金屬型號及直徑、焊接速度、焊接電流、線能量等參數存在差異，因此，應有依據的調整焊接工藝參數，這是焊接工藝性能顯現的基本要求。例如，第一焊道應用GTAW 焊接方法后，對應的電弧電壓為10～15V、填充金屬型號為ERNiCr-3、填充金屬直徑為0.25cm、焊接速度為5～9cm?min-1、焊接電流為95～125A、線能量不超過20kJ?cm-1；第三焊道應用SMAW焊接方法后，對應的電弧電壓為20～22V、填充金屬型號為ENiCrFe-3、填充金屬直徑為0.32cm、焊接速度為5～9cm?min-1、焊接電流為95～130A、線能量不超過20kJ?cm-1。

4.2.3做足準備工作

修復坡口之前，應事先做好返修準備工作，即高效清理缺陷位置，將缺陷兩端作為坡口底，兩端缺陷長度分別延伸2cm。其中，坡口上部長度大于底部長度，長度差約6cm，這是上坡口圓滑處理的基本要求。需注意的是，所處理坡口尺寸應大于原缺陷尺寸，以便為后續修復工作起到基礎鋪墊作用。

由于加氫反應器設備長時間處于富氫環境，焊接階段應進行溢氫操作，這是焊接質量優化的前提條件。具體做法為：應用電加熱器提升坡口溫度，加熱繩在焊縫位置有效纏繞，控制加熱溫度在245～285℃之間，控制恒溫時間3.5h左右。

4.2.4焊接注意事項

底層焊道焊接期間有效排除氫氣，將溫度控制在48～58℃，與此同時，使用ERNiCr-3 焊絲打底焊接，待焊道底部優質處理后，對其光滑、清潔處理。底層焊接工作結束后，應用PT+X予以檢查，避免出現遺漏焊接現象。當檢查工作完成后，執行填充焊接任務，以此提高焊縫裂紋修復效率。填充、蓋面焊接時，優選手工電弧焊方式，具體操作步驟為：于坡口兩端堆焊處理，沿坡口方向接連焊接，其中坡口焊接延伸長度約2cm、堆焊厚度約0.3cm。焊接任務結束后，接下來對其潤滑、補焊處理，補焊期間遵循層層排序原則，確保焊接任務順利完成。

導管焊接后，對其細致檢查，待檢查合格后對其進行超聲波檢測，一旦發現焊接不合格之處，應及時分析原因，并制定處理對策，避免焊縫裂紋現象重復出現。對于石油煉化企業來說，應面向焊接人員組織教育培訓，借此機會傳遞理論知識、提升焊接技巧，同時，外聘焊縫裂紋處理經驗豐富的員工，通過案例分析來豐富焊縫裂紋處理經驗，確保類似問題高效處理、順利解決。

5 結語

綜上所述，石油煉化企業當前處于轉型關鍵期，為加快該企業轉型步伐，以試驗方式總結加氫反應器導管焊縫疲勞擴展規律，通過優選焊接材料、調整工藝參數、做足準備工作、掌握焊接注意事項等措施提升導管焊縫裂紋處理效率。這既能保證導管設備安全性，又能順利實現高效生產目的，最終石油煉化企業競爭力和影響力會大幅提高。