一段轉化爐豎琴管排焊縫缺陷修復技術總結

楊俊才

（青海云天化國際化肥有限公司，青海湟中 811600）

1 概述

200kt/a 合成氨裝置一段轉化爐爐管系統主要由四組豎琴管排組成，每組豎琴管排各有四十四根轉化管、一根上升管和一根下集氣管；一段轉化爐豎琴管排長期處于800℃以上高溫運行狀態，且因各種突發原因容易出現開車升溫過快、緊急（聯鎖）停車急速降溫、催化劑問題局部超溫等問題，這些問題極易造成轉化管、上升管和下集氣管出現蠕變、變形、彎曲，焊縫區域出現裂紋，甚至出現焊縫開裂、轉化管爆管等缺陷；在役設備長期在高溫下運行，金屬材料蠕變損傷、晶粒粗大材質劣化，缺陷修復難度非常大。以200kt/a 合成氨裝置一段轉化爐為例，每根轉化管有5道對接焊縫，每根上升管有5道對接焊縫，每根下集氣管有2道對接焊縫、45道角焊縫，四組豎琴管排重要焊縫有1 088道；一旦出現問題，檢測、修復工作量非常大，嚴重影響裝置安全長周期運行，現將歷年豎琴管焊縫修復及使用情況進行說明，總結成功經驗，為類似在役設備焊縫缺陷修復提供技術借鑒。

2 歷年豎琴管焊縫檢修及使用情況說明

本公司現有兩套200kt/a 合成氨裝置，一期自2010年7月、二期自2011年7月投產運行，兩套裝置都是由中國成達工程有限公司設計并總包建造，豎琴管排參數、材料及規格見表1，管排結構見圖1。

表1 豎琴管參數、材料及規格

一段轉化爐豎琴管排焊縫缺陷主要自2017年爆發性出現，具有普遍性、整體性特點；2017年5月，二期一段轉化爐運行過程中發現第四排豎琴管下集氣管一條對接焊縫處有藍色火焰，判斷焊縫有貫穿性缺陷，介質泄漏燃燒產生藍色火焰，裝置停車緊急搶修；2017年8月計劃停車，二期一段轉化爐豎琴焊縫預防性檢查，發現同5月份一樣缺陷較多，進行檢修；2018年3月，二期一段轉化爐運行過程中發現第一排豎琴管下集氣管一條對接焊縫處有藍色火焰，緊急停車搶修；2018年11月冬季限氣停車，一期、二期預防性檢查同樣存在焊縫缺陷。

圖1 管排結構圖

2.1 三期一段轉化爐豎琴管歷年檢查焊縫缺陷統計

焊縫缺陷統計見表2。

表2 焊縫缺陷統計表

2.2 焊縫缺陷類型

一種是下集氣管對接焊縫熔合線處貫穿性裂紋，自外向內延伸，直至貫穿，打磨PT 檢測合格后焊縫；另一種是下集氣管上管臺連接角焊縫熔合線淺表裂紋，同樣自外向內延伸，但沒有貫穿，深度都在8mm 以內，打磨PT 檢測合格后焊縫。

2.3 修復方案簡述

（1）2017 年5 月至2018 年3 月，采用PT 對焊縫進行檢測，發現缺陷打磨后PT 檢測I 級合格，豎琴管內充99%以上純度氮氣置換，保持微正壓，氬弧焊接，焊材選用φ2mm～φ2.4mm ERNiCr-3焊絲，底層及第二層電流80～95A，填充層及蓋面層電流90～100A，修復后焊縫，焊接完成24h 后進行PT 檢測；但檢修過程中經常出現如下問題：

①局部焊接的角焊縫有新增裂紋延熔合線出現延伸的情況；有的角焊縫局部焊接對稱方位熔合線出現新增裂紋，或者當次PT 檢測合格，但在下一次檢測時出現如上情況。

②對接焊縫修復后在熔合線還是出現裂紋，或者當次PT檢測合格，但下一次檢測又出現裂紋。

（2）經過深入分析和探討，就檢修單方面原因，產生新增裂紋的主要因素有：

①缺陷打磨前沒有對管排進行有效的支撐、限位和固定，在打磨缺口位置形成應力，同時焊接產生熱應力，局部修復位置熔合線和熔合線延伸方向容易產生裂紋。

②在役管排長期高溫運行，材質有劣化趨勢，有些焊縫多次焊接造成劣化更為嚴重，材料機械性能和焊接性能下降，完好原材料焊接工藝不能使用于在役設備，焊接應力造成裂紋產生。

③PT 檢測是表面檢測，不能發現焊接時產生的內部缺陷，這些內部缺陷運行過程中擴展，從而在運行或下次檢查時被發現。

④焊接修復位置延伸和對稱位置應力集中，當時溫度低材料許用應力大，但在高溫運行過程中許用應力降低、內部介質壓力等因素在應力集中位置產生裂紋。

3 豎琴管焊縫修復技術總結

針對豎琴管焊縫修復過程中出現的問題，2018年11月邀請行業專家、公司專業領導等進行了專題探討，深入剖析了以往檢修過程中存在的不足，也汲取了歷年在役設備維修成功經驗，對豎琴管焊縫修復方案進行了優化。2018年11月按優化方案實施檢修，2019年11月復檢二期管排出現1處缺陷，經分析是2018年11月遺留缺陷未消除，之后按優化方案進行了修復；復檢一期管排出現2處新增缺陷，相對2018年11月減少了98.5%；實踐驗證優化后方案完全適用于在役一段轉化爐管排焊縫缺陷修復，對優化后方案總結提煉，關鍵技術要點如下：

1）對接焊縫采用PT+RT 檢測方式，先進行RT 檢測，超出II 級的缺陷全部修復，特別是裂紋必須消除。

2）對角焊縫采用PT 檢測，檢測發現缺陷時需打磨氧化皮進行確認。

3）缺陷打磨前必須將彈簧吊架限位，同時在下集氣管底部用千斤頂等支撐，數量不少于3處，應可能消除外部應力。

4）角焊縫裂紋缺陷，清理焊縫打磨處兩側各20mm 范圍內的油、水等雜物，打磨消除缺陷，打磨后長度超過焊縫總長度1/3的，需對另2/3焊縫打磨清除氧化層，整圈進行焊接。

5）缺陷打磨后需PT 檢測合格，焊前對焊接位置進行預熱，焊縫兩側各150mm 范圍內金屬整體溫度保持在15℃以上焊接（預熱需均勻）。焊接時需采取兩人同時對稱焊接方式，焊接參數（電流、焊接速度、焊道厚度等）保持一致，以保證焊縫應力均勻。打底層焊接完成后需用奧氏體不銹鋼（不低于304材質）小錘進行敲擊，消除焊接應力，防止焊縫開裂，宏觀檢查無缺陷，溫度降至要求范圍時進行PT 檢測，無缺陷進行下一層焊接，若有缺陷需整體打磨后按上述要求重新進行處理。打底層焊接檢測合格后開始第二層焊接，每層焊接時起弧和收弧點不能重疊，焊道厚度不宜超過2mm，起弧和收弧位置需打磨檢查后方可進行下一層焊接，層間清渣徹底，嚴格控制層間溫度＜150℃，收弧時應采用反向收弧技術，以免產生弧坑裂紋，每層焊接完成后均需用奧氏體不銹鋼小錘進行敲擊消除焊接應力。蓋面層焊接完成后需對焊縫整體加熱至250～300℃，并用保溫棉包扎保溫（保溫棉厚度不低于100mm），以消除焊接應力。

6）貫穿缺陷打磨長度超過焊縫總長度1/2時，需在缺口中心位置進行點焊加固；超過2/3時對稱選擇點焊兩點加固；若全部開裂，需提前選擇對稱點焊4點進行加固，防止變形。焊接時需符合上述要求，兩人對稱焊接，點焊加固位置需逐一打磨清理消除缺陷。貫穿性缺陷焊接時管道內需充氮氣保護。

7）消除應力熱處理完成，環境溫度放置24h 后進行無損檢測，對接焊縫RT 檢測II 級合格，角焊縫PT 檢測I 級合格。

4 結束語

主要對在役一段轉化爐豎琴管排焊縫修復成功經驗進行了提煉和總結，對同類在役設備、管道維修提供技術借鑒；但要保證一段轉化爐一臺設備，整個化工裝置，整個生產鏈安、穩、長、滿、優運行，最關鍵還是要嚴格遵循安全操作規程和標準化作業指導書，精細控制、精心操作、平穩生產；同時，各專業要準確、詳盡收集數據，科學、深入分析評估設備性能和隱患缺陷，及時處理解決隱患缺陷，計劃性、預防性做好周期性維護，保持裝備安全可靠性能完好。