加氫反應器不銹鋼堆焊層表面裂紋原因分析及返修工藝探討

潘志浩，李緒豐，傅如聞

(廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

加氫反應器是加氫裝置和加氫工藝過程的核心設備，為增強設備的抗腐蝕性能，廣泛采用奧氏體不銹鋼堆焊工藝，但由于長期服役于高溫和較高壓力下，且處于臨氫苛刻環境，導致奧氏體不銹鋼堆焊層表面裂紋成為加氫反應器檢驗發現的常見缺陷之一[1-2]。

由于加氫反應器處于工藝裝置關鍵路徑，如何對該類設備的缺陷進行全面檢測和分析，從而采取相應的處理措施，不僅是確保裝置長周期安全運行的重點所在[3]，同時也是困擾裝置設備人員的難題之一。本文以石化乙烯裂解裝置中二段加氫反應器為例，檢驗發現上下封頭與筒體的對接環焊縫及人孔內壁焊縫部位奧氏體不銹鋼堆焊層存在整圈彌散型裂紋，通過滲透檢測、相控陣檢測、鐵素體檢測、理化檢驗等多種方法對裂紋成因進行分析，繼而提出針對性的返修工藝。

1 設備參數

該裝置二段加氫反應器相關設計參數見表1。

表1 二段加氫反應器參數

該加氫反應器采用雙層堆焊結構，基層材料為SA387-Gr11-CL2(1.25Cr-0.5Mo),過渡層材料為E309L，復層材料為E347，堆焊層設計厚度為7.0 mm，反應器結構示意如圖1所示。資料審查發現設備運行中有短時超溫情況。

圖1 反應器示意圖

2 主要檢驗項目及結果

2.1 滲透檢測

對上下封頭與筒體對接焊縫部位(圖1中B1和B2)奧氏體不銹鋼堆焊層內表面按照NB/T47013-2015[4]的要求進行滲透檢測。經滲透檢測發現不銹鋼手工堆焊層內表面對接環焊縫B1和B2存在大量彌散型裂紋，形態如圖2、圖3所示，從圖2、圖3可見裂紋斷續且細，無明顯分枝。為了進一步確認缺陷分布情況，對人孔部位塔盤角焊縫及所有熱電偶角焊縫進行擴探，擴探部位依然發現存在多處表面裂紋。同時抽查4處非手工堆焊層，檢測結果表明，所有離散型裂紋均出現在手工堆焊部位。

圖2 B1環縫彌散型裂紋

圖3 B2環縫彌散型裂紋

2.2 相控陣檢測

通過滲透檢測僅能發現缺陷的分布情況，對于裂紋是否延伸至基體母材則無法做出判斷，而利用相控陣檢測的技術優勢則能較好彌補這一不足[5]。采用4.0L16-0.5-9探頭，選擇靈敏度為φ2×40-4dB從反應器對接環焊縫B1和B2外壁封頭單側進行扇形掃查，經檢測未發現反射回波，如圖4所示，說明內表面堆焊層裂紋未擴展至基體母材。

圖4 相控陣掃查成像

2.3 硬度檢測

對內壁奧氏體不銹鋼堆焊層上下封頭與筒體對接環焊縫及兩側并沿焊縫周向進行硬度抽查，其結果見表2。從表中數據可以看出，內表面堆焊層環焊縫硬度較兩側稍高，但實測最大硬度<245 HB[6]。

表2 上、下環焊縫區域硬度測量數據(HB)

2.4 鐵素體分析

采用便攜式鐵素體測定儀對不銹鋼堆焊層進行抽查，內壁環焊縫經滲透檢測發現裂紋的部位，其鐵素體含量低于3%，而無缺陷抽檢部位的鐵素體含量均在3%～10%內。

2.5 金相檢驗

分別選取底部環焊縫區域無缺陷部位和裂紋部位進行金相檢驗。采用現場便攜式顯微鏡PTI-2000，機械拋光，用王水做腐蝕液，得到的顯微組織分別如圖5、圖6所示。無缺陷部位顯微組織為：奧氏體+δ鐵素體，裂紋部位的顯微組織中奧氏體基體溶解的鐵素體極少。

圖5 無缺陷部位金相組織

圖6 裂紋部位金相組織

3 裂紋原因分析

結合設備運行情況，通過對前述各種檢驗檢測結果進行深入分析，得出裂紋成形原因。首先，堆焊層表面裂紋均在手工堆焊的焊縫位置，所抽檢的非手工焊部位檢測的結果均未見異常，說明設備制造過程中手工堆焊工藝控制不嚴，這是導致堆焊層對接環焊縫表面出現彌散型裂紋的主要原因；其次，設備運行過程中出現過超溫現象，雖然時間較短，但堆焊層采用的奧氏體不銹鋼材料的導熱系數遠比母材低,熱膨脹系數卻高于母材[7]，這種情況下，應力集中的焊縫部位在熱應力效應疊加下，促使堆焊層環焊縫位置出現細微裂紋，在高溫高壓臨氫工況下，裂紋沿環焊縫周向整圈彌散分布；再次，鐵素體一般均布成小島狀存在于奧氏體晶粒間，能有效提高金屬的耐晶間腐蝕性能[8]，而實際檢測結果堆焊層表面裂紋部位的鐵素體含量偏低，且金相顯微組織中奧氏體基體中溶解的鐵素體極少，二者結果表明，奧氏體不銹鋼堆焊層中鐵素體含量不足是導致出現裂紋的根本原因。

4 返修工藝探討

基于上述原因分析，對內壁堆焊層焊縫返修過程應制定合理的返修工藝并嚴格執行，尤為關鍵的是修磨補焊工藝。綜合考慮設備材料與結構因素后，制訂返修工藝主要包括以下幾點：(1)對存在缺陷的堆焊焊縫焊前進行消氫熱處理，熱處理溫度控制在300～350 ℃，保溫時間20～24 h；(2)重新PT檢測，標記缺陷位置；(3)機械方法清除缺陷并圓滑過渡，嚴控層間溫度≤100 ℃，防止過熱，PT復驗確認消缺；(4)測量消缺后打磨深度H，并據此采取相應補焊工藝。H≤3 mm時，采用焊條電弧焊堆焊復層，控制層間溫度≤100 ℃，并修磨平滑過渡，PT、FN復測合格；36 mm時，需準確測量基材損傷深度，可參照3

5 結論與建議

(1)通過多種方法對奧氏體不銹鋼堆焊層裂紋進行檢測，根據檢測結果并結合設備運行情況，分析得出裂紋產生的根本原因是奧氏體不銹鋼中鐵素體含量不足，主要原因是設備制造過程手工堆焊工藝控制不嚴，高溫熱應力疊加堆焊焊縫殘余應力導致產生沿環焊縫彌散分布裂紋。

(2)基于裂紋原因分析，綜合考慮設備材料與結構特點，提出了根據不同消缺打磨深度的對應返修工藝，為石油化工行業同類設備的返修處理提供了有益借鑒。

(3)建議加強設備日常運行監控，防止超溫超壓運行，同時嚴格執行開停車工藝。