甲醇合成塔環(huán)焊縫泄漏修復(fù)技術(shù)

張健堂

(皖北煤電集團(tuán)公司， 安徽宿州 234000)

1 甲醇合成塔工藝

內(nèi)蒙古鄂爾多斯市西北能源化工有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱西北能化)甲醇裝置以煤為原料，采用水煤漿加壓氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳等工藝，制得純凈的氫氣和一氧化碳，在催化劑的作用下合成粗甲醇。甲醇合成塔是管殼外冷-絕熱復(fù)合型甲醇合成反應(yīng)器，甲醇合成催化劑(銅系催化劑)裝在換熱管內(nèi)和換熱管上部，在管間充滿鍋爐水，這些水把甲醇合成反應(yīng)產(chǎn)生的熱量快速地移走。

甲醇合成塔殼程操作溫度約為250 ℃，操作壓力為3.9 MPa，介質(zhì)為鍋爐水(Na3PO4質(zhì)量濃度為10.5 mg/L，溶解氧質(zhì)量濃度為9.0 mg/L，pH為7～9)。

2 甲醇合成塔泄漏過程

西北能化甲醇合成塔由中航黎明錦西化工機(jī)械責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱錦化機(jī)公司)于 2013 年 11 月生產(chǎn)制造(設(shè)備編號(hào)為13-332),2014 年初安裝就位，2016 年 9 月投入生產(chǎn)使用，2017年 6 月在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)該塔筒體下部加強(qiáng)圈過渡段與筒體B2 環(huán)焊縫上有泄漏點(diǎn)，在當(dāng)月裝置停車大修期間由制造單位錦化機(jī)公司安排維修人員，按照制定的檢修方案，進(jìn)行挖補(bǔ)修復(fù)，消除該處缺陷，并于 2017 年 8 月修復(fù)結(jié)束投入生產(chǎn)。2018 年 1月上旬，該處環(huán)焊縫表面又出現(xiàn)1處泄漏點(diǎn)，同月中旬，再次出現(xiàn)2處泄漏點(diǎn)，泄漏點(diǎn)位置均在該環(huán)焊縫上；2018年2 月初，在該位置處再次出現(xiàn)泄漏。西北能化及時(shí)將泄漏情況發(fā)函告知錦化機(jī)公司，該公司安排專人查看現(xiàn)場(chǎng)，著手準(zhǔn)備返修工作。

2018年4月大修期間對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)該處約存在15 處缺陷(包括 11 處泄漏點(diǎn))，裂紋既有縱向也有環(huán)向，還有呈十字狀分布，對(duì)焊縫內(nèi)壁用內(nèi)窺鏡檢查可見多處細(xì)小裂紋，部分已由焊縫延伸至母材本體。設(shè)備結(jié)構(gòu)及泄漏部位見圖1。

(a) 整體結(jié)構(gòu)圖

(b) 俯視圖A8—鍋爐給水出口； B2-7—鍋爐給水入口；B8—鍋爐給水/蒸汽入口；A2-7—鍋爐給水/蒸汽出口。圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖及泄漏部位

3 檢測(cè)分析

對(duì)泄漏部位進(jìn)行宏觀檢測(cè)(包括樣品外表面檢查、焊接接頭剖面檢查、裂紋剖面檢查)、化學(xué)成分分析、金相分析(包括裂紋金相、金相組織)、硬度測(cè)試、斷口分析(包括宏觀斷口、微觀斷口)、X 射線能譜分析、X 射線衍射分析，以分析泄漏原因。

3.1 宏觀檢查

樣品內(nèi)壁呈鐵銹紅色，裂紋基本與焊縫垂直，未見有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出脆性斷裂特征，具體見圖2。

圖2 樣品宏觀形貌

3.2 化學(xué)成分分析

分別對(duì)焊縫金屬(內(nèi)坡口和外坡口)、兩側(cè)母材(厚壁和薄壁)進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可以看出：母材化學(xué)成分滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB 713—2008 《鍋爐和壓力容器用鋼板》對(duì)13MnNiMoR的要求)，焊縫金屬化學(xué)成分與母材匹配。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

3.3 焊接接頭硬度測(cè)試

對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試部位及結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出：焊縫金屬硬度為226.0 HV～246.5HV；熱影響區(qū)硬度為276.2HV～357.7HV；母材硬度為 202.5HV～225.7HV。

圖3 硬度測(cè)試部位及結(jié)果

3.4 金相分析

裂紋金相試樣取樣部位見圖4，該處裂紋是由焊縫上的裂紋延伸至母材上的。裂紋的微觀形貌見圖5。由圖5(a)可以看出：裂紋基本垂直于內(nèi)表面，深度約12 mm。對(duì)裂紋進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)在該裂紋的附近還有1條微裂紋(見圖5(b))，2處裂紋均有內(nèi)壁裂紋，以穿晶擴(kuò)展(見圖5(c)～(e))，局部有分叉，裂紋縫隙內(nèi)有明顯的氧化物(見圖5(d)),裂紋具有較典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征。

圖4 裂紋金相試樣取樣部位

(a) 裂紋位于厚壁母材上

(b) 近內(nèi)壁裂紋

(c) 裂紋1局部形貌

圖5 裂紋微觀形貌

3.5 斷口分析

選取位于焊縫上到裂紋(1/3至2/3厚度和2/3至外壁厚度)將其打開，打開部位及斷口宏觀形貌見圖6。2個(gè)斷裂面凹凸不平，主要呈褐色，局部也有呈鐵銹紅，人工打開斷口為白色。斷口表面有明顯呈放射狀紋路，按放射狀紋路收斂方向可以判斷裂紋是由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展的，在斷口2上可見裂紋已穿透。

圖6 裂紋形貌及打開后的斷口

3.6 X 射線能譜分析

對(duì)斷口1表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，斷口1分析部位見圖7，分析結(jié)果見圖8和表2。斷口上主要為O和Fe元素，局部有少量的Mn、Cr、Ni、C和P等元素。

圖7 斷口表面腐蝕產(chǎn)物分析部位

表2 斷口1表面能譜分析結(jié)果

3.7 X 射線衍射分析

從塔內(nèi)裂紋表面刮取得到的附著物作為分析樣品，對(duì)其進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果見圖9。由圖9可以看出：樣品中主要含有Fe3O4和少量的C結(jié)晶。

圖9 X射線衍射分析結(jié)果

4 原因分析

依據(jù)取樣分析結(jié)果可以確定焊縫開裂為應(yīng)力腐蝕開裂。從斷口及腐蝕產(chǎn)物特征看溶解氧(鍋爐給水水質(zhì)指標(biāo)，在合成塔泄漏前因溶解氧檢測(cè)儀器故障，溶解氧未檢測(cè)到，國(guó)標(biāo)為50 mg/L)占主導(dǎo)機(jī)制，而從開裂時(shí)間較短來看又符合Na3PO4(鍋爐給水水質(zhì)指標(biāo)，在合成塔泄漏前檢測(cè)指標(biāo)為5～15 mg/L)引起堿脆占主導(dǎo)機(jī)制的特點(diǎn)。對(duì)于西北能化焊縫熱影響區(qū)最高硬度達(dá)到375.7HV，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)規(guī)定的 225HV，說明了表面焊接殘余應(yīng)力沒有通過焊后熱處理得到有效消除，這是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的一個(gè)關(guān)鍵因素。

5 修復(fù)方案

設(shè)備殼程過渡段與筒體材料為13MnNiMoR，過渡段厚度為110 mm，筒體厚度為55 mm，焊縫處厚度為55 mm。

針對(duì)殼程過渡段與殼程筒體焊接接頭有多處泄漏，存在缺陷部位累計(jì)長(zhǎng)度已達(dá)到B2焊縫總長(zhǎng)度的3/4，采取以下措施修復(fù)：

(1) 對(duì)B2焊縫存在缺陷的部位進(jìn)行修復(fù)，經(jīng)超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷的部位，可不再重新焊接。每次修復(fù)長(zhǎng)度根據(jù)履帶加熱器長(zhǎng)度確定為約600 mm(根據(jù)履帶加熱器長(zhǎng)度情況一次修復(fù)長(zhǎng)度可適當(dāng)加長(zhǎng)，但兩端必須有各不小于80 mm的余出履帶加熱器)。

(2) 對(duì)存在缺陷的環(huán)向焊接接頭整圈進(jìn)行100%超聲波探傷檢測(cè)及100%滲透檢測(cè)，確定焊縫缺陷位置每處的寬度并進(jìn)行記錄。

(3) 在0°附近鉆2個(gè)止裂孔，距離約為600 mm。

(4) 用碳弧氣刨和砂輪修磨的方法清除缺陷，清除前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于150 ℃，碳弧氣刨清除時(shí)沿缺陷外圍向中心部位進(jìn)行，然后用砂輪修磨表面，直至露出金屬光澤，對(duì)其表面進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，按NB/T 47013.5—2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》標(biāo)準(zhǔn)的I級(jí)驗(yàn)收，確認(rèn)缺陷已完全清除干凈為止[1]。清除缺陷的同時(shí)將焊縫熱影響區(qū)內(nèi)硬度超標(biāo)部位(一般在熔合線兩側(cè)20 mm范圍內(nèi))清除，并再次打硬度進(jìn)行確認(rèn)。每清除一段環(huán)焊縫后，用內(nèi)窺鏡檢查環(huán)焊縫兩側(cè)是否存在超聲波未檢測(cè)出的肉眼可見裂紋，如有應(yīng)一并去除。

(5) 缺陷沿筒體環(huán)焊縫環(huán)向方向延伸(長(zhǎng)度或?qū)挾?較大時(shí)，缺陷清除后采用在內(nèi)部加襯墊的方法進(jìn)行修復(fù)。在清除缺陷時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)因打磨致底部開口過大而無(wú)法焊接的情況；為確保焊接質(zhì)量，允許采用加襯墊的方法進(jìn)行焊接，襯墊材料為13MnNiMoR，板厚為8 mm，長(zhǎng)度和寬度按實(shí)際缺陷部位尺寸相配。

(6) 嚴(yán)格按照焊接工藝要求進(jìn)行施焊，焊前預(yù)熱，焊后立即消氫處理為按焊接工藝和熱處理工藝要求進(jìn)行[2]。

(7) 焊接完畢24 h后，對(duì)修復(fù)部位及周圍200 mm范圍內(nèi)的母材、焊接接頭進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，按NB/T 47013.5—2015 的I級(jí)驗(yàn)收，并進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，按NB/T 47013.3—2015 的I級(jí)驗(yàn)收[3]。

(8) 在0°附近修復(fù)完畢后，再修復(fù)180°側(cè)，隨后修復(fù) 90°側(cè)，最后修復(fù)270°附近的缺陷。為加快修復(fù)進(jìn)度，在履帶加熱器及現(xiàn)場(chǎng)施工人員足夠的情況下，也可0°與 180°同時(shí)修復(fù)，90°與270°同時(shí)修復(fù)，每次鉆4個(gè)止裂孔。這樣循環(huán)往復(fù)，直至 B2 焊縫存在缺陷的部位被完全修復(fù)、消氫、無(wú)損檢測(cè)合格。

(9) B2焊縫存在缺陷部位都修復(fù)完畢后，按熱處理工藝要求進(jìn)行 B2焊縫的整圈消除應(yīng)力熱處理。

(10) 熱處理后對(duì)焊縫、熱影響區(qū)母材進(jìn)行硬度檢測(cè)，理論上應(yīng)控制硬度小于等于225HB。考慮現(xiàn)場(chǎng)熱處理?xiàng)l件受到很多限制，如內(nèi)部換熱管眾多，散熱速度快、熱處理設(shè)備受到空間限制等，造成熱處理溫度可能達(dá)不到理論值，根據(jù)多年實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，暫定硬度合格條件為小于等于245HB[1]。

(11) 熱處理合格后，對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，按 NB/T 47013.5—2015 的I級(jí)驗(yàn)收，并進(jìn)行 100%超聲檢測(cè)，按 NB/T 47013.3—2015 的I級(jí)驗(yàn)收。

(12) 耐壓試驗(yàn)按以下要求執(zhí)行：

① 缺陷修復(fù)完成后，對(duì)設(shè)備殼程先進(jìn)行壓縮空氣檢漏，試驗(yàn)壓力為0.4～0.5 MPa，檢查修復(fù)位置不得泄漏。

② 合格后進(jìn)行系統(tǒng)試壓，殼程試驗(yàn)壓力為5.63 MPa(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況也可以進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力，即4.5 MPa水壓試驗(yàn))，檢查所有連接部位，不得有泄漏，檢查合格后將水放凈，并用壓縮空氣吹干。

③ 耐壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)控制試驗(yàn)用水的氯離子質(zhì)量濃度不得超過3 025 mg/L。

(13) 耐壓試驗(yàn)合格后，對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行 100%滲透檢測(cè)，按 NB/T 47013.5—2015 的 I 級(jí)驗(yàn)收，并進(jìn)行 100%超聲檢測(cè)，按 NB/T 47013.3—2015 的 I 級(jí)驗(yàn)收[4]。

(14) 合成塔過渡段與筒體的環(huán)向焊接接頭返修焊接后用履帶加熱器加熱，進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。局部消除應(yīng)力熱處理時(shí)，需要用履帶加熱器將整條環(huán)向焊接接頭均勻加熱，采用耐火纖維毯保溫，自動(dòng)控溫儀控制溫度并自動(dòng)記錄溫度-時(shí)間曲線；沿環(huán)向焊接接頭圓周布置 4 支熱電偶，相鄰熱電偶互呈 90 ℃。

(15) 合成塔熱處理結(jié)束后，嚴(yán)格按照水壓試驗(yàn)方案進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中無(wú)異常的聲響，放水后，進(jìn)行 100%超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，認(rèn)為水壓力試驗(yàn)合格。具體水壓試驗(yàn)曲線見圖10。

圖10 水壓試驗(yàn)壓力曲線

6 合成塔修復(fù)工作鑒定

合成塔修復(fù)工作全部結(jié)束后，2018年6月2日由中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院對(duì)合成塔環(huán)向焊縫進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明合成塔環(huán)向焊縫未見缺陷。

2018年6月6日合成塔投入使用，6月12日由內(nèi)蒙古鄂爾多斯市特種設(shè)備檢驗(yàn)所出具特種設(shè)備改造與重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)證書，鑒定結(jié)果為合成塔安全性能符合TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

合成塔自6月6日修復(fù)工作結(jié)束后，并由當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備檢驗(yàn)所鑒定合格后投入使用，目前運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)過對(duì)鍋爐水指標(biāo)分析：溶解氧質(zhì)量濃度為10.5 mg/L(指標(biāo)為50 mg/L)，總磷質(zhì)量濃度為9.0 mg/L(指標(biāo)為20 mg/L)，溫度為104 ℃，各項(xiàng)指標(biāo)在控制范圍內(nèi)。通過甲醇合成塔的平穩(wěn)運(yùn)行，說明了甲醇合成塔環(huán)焊縫修復(fù)方案正確可行，熱處理溫度控制、耐壓試驗(yàn)和水處理方案是切實(shí)可行的，可供類似的甲醇合成塔檢修借鑒參考。甲醇合成塔運(yùn)行中還要做好以下安全防范措施：

(1) 嚴(yán)格按照工藝指標(biāo)控制鍋爐水溶氧量，采取有效手段對(duì)其監(jiān)控分析。

(2) 對(duì)甲醇合成塔外部保溫采取加厚處理，進(jìn)一步降低合成塔內(nèi)外壁溫差，避免因溫差應(yīng)力造成合成塔及焊縫產(chǎn)生裂紋。

(3) 在甲醇合成塔開停車期間，升降溫應(yīng)緩慢，防止催化劑產(chǎn)生超溫或破碎等現(xiàn)象。