加氫精制反應器檢驗與分析

紀純明，劉鵬，郝偉，戴行濤

加氫精制反應器檢驗與分析

紀純明，劉鵬，郝偉，戴行濤

（大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司， 遼寧 大連 116013）

在加氫精制反應器全面檢驗中，使用超聲測厚、無損檢測和金相等方法，對該設備進行檢驗和評價。通過對檢測結果的分析，得到加氫精制反應器損傷原因，為加氫精制反應器的設計、制造和檢驗提供參考。

加氫精制反應器；檢驗；損傷模式；分析

我國總的能源特征是“富煤、少油、有氣”，煤制油（Coal-to-liquids, CTL）是以煤炭為原料，通過化學加工過程生產油品和石油化工產品的一項技術，包含煤直接液化和煤間接液化兩種技術路線。以煤制油已成為我國能源戰略的一個重要趨勢，將我國的潔凈煤技術和應用提升到了一個新的高度，為我國能源的可持續發展做出新的貢獻。加氫精制反應器在煤化工中用于煤加氫液化制取液體燃料，是煤化工中的重要裝置。本文以某煤間接液化用加氫精制反應器為例，介紹了加氫精制反應器的檢驗和分析。

1 裝置介紹

該加氫精制反應器2014年03月由中石化洛陽工程有限公司設計，2014年12月制造后投入運行，加氫精制反應器主要技術參數見表1。

表1 加氫精制反應器主要技術參數

2 損傷模式分析

加氫精制反應器運行環境高溫高壓，且介質含有氫氣、硫化氫、有機酸等強滲透、腐蝕性介質，主要存在氫脆、回火脆化、高溫氫腐蝕、高溫硫化物腐蝕等損傷模式[1]，具體表現在不銹鋼堆焊層表面裂紋、氫剝離裂紋、層下裂紋和氫脆開裂等[2]。

3 檢驗內容和方法

本次檢驗重點采用宏觀和無損檢測手段著重抽查由于氫脆斷、復層的鼓包和剝離、甲酸腐蝕，法蘭密封面梯形槽槽底圓角處的裂紋情況。壁厚測定，檢查是否存在由于氫腐蝕造成的測厚值變厚；高壓螺栓，特別是M36 以上的螺栓的檢查，其變形、裂紋、齒面損壞情況；復層鐵素體抽查，以判斷檢查剝離的重點。

檢驗項目包括：原始資料審查、磁粉檢測、滲透檢測、超聲檢測、衍射時差法TOFD、硬度測定、鐵素體含量測定、金相。

檢驗內容主要包括：

外壁：反應器保溫局部拆除，對環焊縫進行100% UT、100% TOFD、100% MT，對凸臺與基體結合進行100 %UT；對嵌入式接管與筒體封頭的焊縫進行100% UT、100% MT。

內壁：對接管焊條電弧堆焊區及外延150 mm范圍內進行100% PT；總裝環焊縫及兩側各300 mm范圍進行100% PT；凸臺可檢范圍進行100% PT；對內壁堆焊層硬度、金相組織檢測、鐵素體含量進行檢測。

4 檢測結果

4.1 內壁滲透檢測

對對接環焊縫堆焊層、凸臺堆焊層和接管堆焊層進行了檢測，焊縫編號分別為B01、B1、B4、B6、A02、TT1、D1-D5、D7-D12，具體部位見圖1。

經滲透檢測共發現60余處超標缺陷，為Ⅳ級缺陷，最長60 mm。

4.2 理化檢驗

取對接環焊縫筒體內壁焊條電弧焊堆焊層、帶極堆焊層為檢驗面；采用GB/T 17455—2008 《無損檢測 表面檢測的金相復型技術》標準，檢驗面機械拋光，王水溶液腐蝕，現場復膜制樣。采用GB/T 1954—2008 《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》進行焊縫鐵素體測定。采用GB/T 17394.1—2014 《金屬材料 里氏硬度試驗 第1部分 試驗方法》對堆焊層和帶極堆焊層進行檢測。

圖1 加氫精制反應器內壁PT部位示意圖

取焊縫A02內表面缺陷位置為檢驗面，具體部位為A02-71筒體帶極堆焊、A02-7和A02-16焊條電弧堆焊層。

完好部位：A02上側的筒體內壁帶極堆焊層表面（1#）、A02焊縫的筒體內壁焊條電弧焊表面（2#）。

1）金相檢測

缺陷部位：３個檢查點顯微組織全部為奧氏體+δ鐵素體，裂紋為沿晶開裂。

完好部位：２個檢查點顯微組織全部為奧氏體+δ鐵素體，金相合格。

2）鐵素體含量檢測結果見表2。

3）硬度檢測結果見表3。硬度滿足技術規范的要求（小于235HV），合格。

表2 鐵素體含量檢測結果

4.3 外壁無損檢測

4.3.1 MT結果

加氫精制反應器AM、N4-1、N4-2、N4-3、N3、N2-1、N2-2、T1-T6、A02、B1、B2、B4、B6、B01焊縫經磁粉檢測，未發現超標缺陷。

表3 硬度檢測結果

4.3.2 UT結果

檢驗部位與MT檢測處外，另對凸臺結合面進行掃查。凸臺TT01-TT07經超聲檢測未發現超標缺陷。對同MT焊縫進行了超聲檢測, 共發現3處超標缺陷。UT檢測結果見表4。

對B01、B1、B2、B4、B6共5條對接焊接接頭進行了TOFD檢測，未發現超標缺陷。

4.3.3 硬度檢測

現場里氏硬度計檢測，反應器外壁焊接接頭及母材硬度均小于220HB，符合設計規范小于225HB的要求。

4.4 堆焊層厚度檢測

堆焊層厚度測量結果見表5。

表4 UT檢測結果

表5 堆焊層厚度測量結果

5 檢驗結果及缺陷成因初步分析

加氫精制反應器3處超標缺陷位于過渡層與基體結合面。

1）堆焊層組織為奧氏體+δ鐵素體，組織正常。在缺陷部位，裂紋形態為枝晶間沿晶裂紋，奧氏體晶粒基本為邊緣鈍化、圓形，無明顯的定向凝固粗大的一次、二次枝晶。根據奧氏體不銹鋼的凝固特性，糊狀凝固時，凝固區間較大的特點，說明在焊接過程中焊材熔化，由液相轉化為固相時，冷卻速率較慢—過冷度較小，經過液相析出階段后，進入糊狀凝固階段。此時，由于溫度降低，液相流動性差，晶粒的液相凝固收縮得不到補充，凝固收縮應力基本靠晶粒邊界來承受，并且晶粒各個方向應力均布，容易在晶粒邊界形成線性和網狀晶間裂紋。

2）從焊縫鐵素體含量來看，缺陷處的耐蝕層鐵素體數FN普遍低于3，按技術規范要求，焊態下，耐蝕層鐵素體數應為FN3～10。熱處理會導致堆焊層的鐵素體含量下降，但對比堆焊層無缺陷部位的鐵素體含量，缺陷處的耐蝕層在熱處理之前疑為偏下限。奧氏體焊接時，控制焊縫中的鐵素體含量，目的是在焊縫中形成鐵素體+奧氏體兩相組織，提高焊縫的抗開裂性能。無論從鐵素體儀的測定和金相組織來看，焊縫中鐵素體含量較低，結合金屬凝固特性，以及鐵碳合金相圖（圖2），E347L焊材的Cr/Ni比例約為2，焊縫液相凝固時，δ相首先由液相（L）中析出：L→δ，直至1 420 ℃左右時，組織中僅含有極少量剩余液相；然后剩余液相與δ相進行包晶反應δ+L→γ；包晶反應區間后，γ相開始由δ相中析出：δ→γ，直至溫度降至1 325 ℃左右時，相變結束。由此，從凝固過程可以看出，δ鐵素體的消耗，主要在包晶轉變和隨后的高溫δ向γ相的轉變，導致鐵素體含量的降低，也就是在高溫停留時間過長、冷卻速度較慢導致。

圖2 Fe-Cr-Ni三元合金相圖

3）焊接線能量的加大，將會導致焊縫中鐵素體含量降低，即電壓升高、電流加大，焊縫溫度升高，高溫停留時間延長，液相流動性好，便于焊縫成型，相變轉變完全，導致焊縫鐵素體含量降低。

4）抽查部位帶極堆焊層耐蝕層為1道，厚度4 mm左右，過渡層厚度大于3 mm，符合設計規范；焊條電弧堆焊的耐蝕層為2道或2道以上，總厚度普遍大于8 mm，部分部位達到12 mm以上，過渡層厚度大于3 mm，堆焊層厚度滿足設計規范。耐蝕層厚度過大雖然對設備無不良影響，但厚度大，表明堆焊的量大，出現缺陷的概率也同時變大，堆焊層殘余應力偏高，易出現開裂。

5）帶極堆焊層上少量缺陷都在靠近環縫處，疑為環縫焊條電弧堆焊時，對附近的堆焊層沒有作好保護，導致焊接飛濺、電弧等不良操作對帶極堆焊層造成了損傷。

6 結論與建議

焊接工藝控制不當是導致開裂的主要原因，裂紋為熱裂紋。

建議焊接時，應嚴格控制線能量的輸入，多層多道焊，控制層間溫度和預熱溫度等焊接參數。控制熱處理溫度，避免超過上限。在滿足堆焊層總厚度的前提下，盡量減少耐蝕層的施焊道數，降低堆焊層的厚度。堆焊層返修時，做好對臨近堆焊層的保護。加強層間的清理工作，盡量減少層間的夾渣或其他污染缺陷。

［1］GB/T 30579—2014《承壓設備損傷模式識別》[S]. 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2014-05-06發布，2014-12-01實施．

［2］陳穎鋒.加氫精制反應器的檢驗與分析[J]. 壓力容器，2001，18（1）．

Inspection and Analysis of Hydrofining Reactor

,,,

（Dalian Boiler and Pressure Vessel Inspection & Testing Institute Co., Ltd., Dalian Liaoning 116013, China）

In the overall inspection of hydrofining reactor, ultrasonic thickness measurement, non-destructive testing and metallographic method were used to inspect and evaluate the equipment. Through the analysis of the test results, the damage modes of the hydrofining reactor were obtained, which could provide some reference for the design, manufacture and inspection of the hydrofining reactor.

Hydrofining reactor; Inspection; Damage modes; Analysis

2021-01-18

紀純明（1985-），男，滿族，工程師，碩士，遼寧省大連市人，2010年畢業于青島科技大學化工過程機械專業，研究方向：承壓設備檢驗和研究。

TQ050.7

A

1004-0935（2020）03-0336-04