在役石腦油加氫反應(yīng)器裂紋失效分析及維修

秦志輝 張曉斌 胡衛(wèi)朋 岑樹海 孫小兵 解 洋

（1.廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗研究院；2.中國石油廣西石化分公司）

加氫反應(yīng)器是煉油、化工裝置的核心設(shè)備［1］，設(shè)備能否安全運行直接影響到整套裝置的安全性。基于高溫高壓的工作條件和防氫腐蝕、H2S腐蝕的要求［2］，反應(yīng)器采用基層Cr-Mo表面覆蓋不銹鋼堆焊的特殊結(jié)構(gòu)，因其壁厚尺寸大、加工過程復(fù)雜、技術(shù)要求高、制造周期長，故而造價昂貴。加氫反應(yīng)器在高溫、高壓及臨氫介質(zhì)等惡劣工況下運行［3］，一旦內(nèi)壁不銹鋼堆焊層失效，失去對氫原子的阻隔作用，高溫高壓下的氫原子就會加速擴(kuò)散到筒體材料的金屬晶格中，使金屬晶格應(yīng)變增大或生成氫化物造成金屬韌性和延性降低，產(chǎn)生氫致開裂，導(dǎo)致設(shè)備失效甚至引發(fā)事故。戴真全對SUS347不銹鋼的研究表明：延伸性的損失與氫含量呈線性比例并且也受鐵素體和σ相含量影響，鐵素體和σ相含量越高，則延伸性和韌性的損失也越大，越容易產(chǎn)生裂紋，操作中重復(fù)開、停工可使表面裂紋不斷擴(kuò)展、加深［4］。

筆者以廣西某1 000萬噸/年煉油裝置在役石腦油加氫反應(yīng)器為例，對首次定期檢驗發(fā)現(xiàn)的裂紋缺陷進(jìn)行了失效分析，并結(jié)合一次維修失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)，以“非等強(qiáng)焊+安全評定”為技術(shù)路線，正確選擇基材和過渡層焊材，成功解決在役加氫反應(yīng)器裂紋缺陷的現(xiàn)場維修問題。

1 反應(yīng)器基本情況及缺陷

廣西某1 000萬噸/年煉油裝置石腦油加氫反應(yīng)器 （位號190-R102）由蘭州某公司設(shè)計制造，2008年10月出廠，2010年6月投用，主體材料為15CrMoR+E309L+E347，內(nèi)壁堆焊雙層奧氏體不銹鋼（過渡層E309L、面層E347），內(nèi)徑φ2 300 mm，筒體厚度（基層+堆焊層）為68 mm+6.5 mm，封頭厚度（基層+堆焊層）為78 mm+6.5 mm，基層筒體計算壁厚為65.5 mm，筒壁基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，技術(shù)參數(shù)如下：

圖1 加氫反應(yīng)器筒壁基本結(jié)構(gòu)

容積 14.7 m3

工作介質(zhì) 石腦油、油氣、H2、H2S

設(shè)計壓力 6.6/-0.1 MPa

設(shè)計溫度 370/177 ℃

工作壓力 4.91 MPa

工作溫度 不大于343 ℃

2013年3月首次開罐全面檢驗時發(fā)現(xiàn)有以下缺陷：內(nèi)壁滲透檢測（PT），在筒體與下封頭對接環(huán)焊縫的堆焊層表面發(fā)現(xiàn)一條長30 mm的裂紋（圖2）；超聲波檢測內(nèi)部埋藏裂紋缺陷信號，A型數(shù)字超聲檢測（UT）顯示為深度55 mm、長度65 mm、波幅高度SL+23 dB；衍射時差超聲波（TOFD）檢測裂紋顯示外表面以下深度53 mm、長度130 mm，裂紋位置如圖3、表1所示。根據(jù)檢測定位初步推斷這幾種檢測方法發(fā)現(xiàn)的缺陷為同一條裂紋，說明裂紋已經(jīng)由堆焊層擴(kuò)展至基層。根據(jù)裂紋清除深度和裂紋清除后從外表面進(jìn)行UT和TOFD檢測驗證，證明上述推斷是正確的。

表1 裂紋位置說明

圖2 內(nèi)表面堆焊層裂紋

2 失效分析

經(jīng)分析可知，一方面，反應(yīng)器在高溫、高壓的臨氫條件下，器壁吸收的氫在停工過程中隨著溫度的降低，一部分通過器壁表面逸出，但仍有一部分以過飽和狀態(tài)滯留在器壁之中，滯留的過飽和氫會使器壁材料韌性降低［5］，可能誘發(fā)材料的亞臨界裂紋擴(kuò)展；另一方面，在開停工過程中，隨著服役時間的增加，反應(yīng)器器壁還會因回火脆化與氫脆交互作用發(fā)生更嚴(yán)重的脆性破壞，致使反應(yīng)器失效［6］。為防止不銹鋼堆焊金屬的氫脆損傷也即堆焊層氫致裂紋，規(guī)定奧氏體不銹鋼堆焊層鐵素體相最小體積分?jǐn)?shù)為3%～4%，最大為8%～10%，下限防止熱裂紋產(chǎn)生，上限使σ相形成最少。當(dāng)σ相吸氫20×10-6～50×10-6后，易引起沿吸氫的σ相開裂并擴(kuò)展［7，8］。為防止堆焊層焊接熱裂紋和操作中產(chǎn)生σ相，《輕烴回收裝置加氫反應(yīng)器技術(shù)條件》設(shè)計明確要求其堆焊層焊后狀態(tài)鐵素體的含量應(yīng)在3%～10%之間。現(xiàn)場用FERITSCOPE FMP30鐵素體檢測儀發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)器裂紋部位及其周邊不銹鋼堆焊層鐵素體含量最小值0.83%，最大值2.70%，測量結(jié)果與FN序數(shù)基本一致，低于《輕烴回收裝置加氫反應(yīng)器技術(shù)條件》的要求（表2），其他部位鐵素體含量正常。對裂紋處的基材焊縫進(jìn)行顯微組織觀察，鐵素體+貝氏體，未見球化組織（圖4）。對裂紋處的基材焊縫進(jìn)行硬度檢測，硬度符合要求（表3）。

表3 裂紋處基材焊縫硬度檢測（HB）

圖4 基材焊縫顯微組織

2013年的檢驗為該設(shè)備使用3年后的首次檢驗，查閱該反應(yīng)器出廠筒體基層材料、焊接材料化學(xué)成分和力學(xué)性能相關(guān)資料，各材質(zhì)化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。反應(yīng)器使用時間較短，發(fā)生材質(zhì)劣化的可能性較小，表3、圖4所示的檢驗結(jié)果排除了材質(zhì)劣化的可能性。雖然反應(yīng)器工作介質(zhì)有少量H2S 氣體（0.08%mol），但水氣含量極少，無形成潮濕氣氛的條件，不存在硫化物應(yīng)力腐蝕條件［9］，可以排除應(yīng)力腐蝕裂紋。

經(jīng)與原制造單位核實，確認(rèn)反應(yīng)器制造時對該部位實施過返修，包括對15CrMoR筒體基層的補(bǔ)焊和不銹鋼層的堆焊。該部位鐵素體含量不足很可能是制造廠在返修堆焊過程中的工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致的，焊縫金屬鐵素體含量偏低會導(dǎo)致熱裂紋的出現(xiàn)［10］，結(jié)合裂紋在堆焊層形態(tài)和打磨過程中裂紋擴(kuò)展、延長的形貌觀測，發(fā)現(xiàn)裂紋邊沿呈鋸齒狀，具有焊接熱裂紋的明顯特征［11］，表明鐵素體含量不足是導(dǎo)致本次熱裂紋產(chǎn)生的主要原因。此外，現(xiàn)場宏觀檢查發(fā)現(xiàn)該部位下封頭與筒體內(nèi)壁存在最大10 mm的錯邊量，造成局部結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，運行過程中拉應(yīng)力與焊縫錯邊不連續(xù)處的峰值應(yīng)力疊加，再加上異種材料收縮、膨脹不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力，更加大了該部位的應(yīng)力，多重應(yīng)力的集中疊加加速了裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

3 裂紋缺陷維修

現(xiàn)場裂紋維修時，由于反應(yīng)器堆焊層與筒體基材15CrMoR焊后局部急冷容易導(dǎo)致形成焊縫金屬未熔合或出現(xiàn)熱裂紋，加上堆焊層與基層材料分層疊加、邊界模糊，對焊接技術(shù)要求更加復(fù)雜、苛刻。焊材選材不當(dāng)或工藝過程失控可能需要同一部位多次維修，這很可能造成材質(zhì)劣化，甚至導(dǎo)致整個反應(yīng)器報廢，后果不堪設(shè)想。

3.1 裂紋消除

現(xiàn)場采用不銹鋼專用圓頭銼對堆焊層表面裂紋進(jìn)行打磨、消除，裂紋兩端打止裂孔，打磨過程觀測發(fā)現(xiàn)該裂紋已穿透堆焊層和過渡層，并延伸到基材側(cè)，裂紋最長130 mm，打磨到堆焊層側(cè)表面以下25 mm位置后，經(jīng)PT檢測確認(rèn)裂紋已徹底清除。

3.2 維修過程

反應(yīng)器缺陷部位打磨形成的凹坑（以下簡稱凹坑）最大深度達(dá)28.5 mm，需要進(jìn)行重大維修。

3.2.1 一次維修

一次維修制定方案的主要內(nèi)容如下：

a.打磨消除裂紋之后，采用砂輪打磨凹槽邊界，打磨完成后用光譜分析儀檢測方式區(qū)分出基層和過渡層區(qū)域。

b.對凹坑周圍300 mm范圍采用內(nèi)部加熱方式進(jìn)行300 ℃×3 h消氫處理，待降至100 ℃時進(jìn)行補(bǔ)焊。

c.基材層補(bǔ)焊采用焊條電弧焊，焊條選用R307C/φ3.2，電流90～120 A，電壓20～24 V，焊速不小于100 mm/min。

d.后熱（250～350）℃×2 h，焊后24 h方可對補(bǔ)焊基層焊道表面進(jìn)行打磨、清理光滑，按JB/T 4730.5—2005進(jìn)行滲透檢測，合格后進(jìn)行過渡層和覆層的堆焊。

一次維修結(jié)束后，焊后24 h的滲透檢測發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋如圖5、6所示。說明一次維修失敗。

圖5 一次維修后裂紋表面顯示

圖6 維修裂紋打磨后的形貌

3.2.2 一次維修失敗原因分析

在一次維修時，雖然采用與制造出廠相同的工藝和焊材，然而現(xiàn)場焊接無法明顯區(qū)分焊接基層（15CrMoR）與過渡層（E309L）的分界面，造成焊工在施焊過程中不能精準(zhǔn)把握時機(jī)更換相應(yīng)的焊材，焊接難度較大。并且由于作業(yè)空間受限，焊接、打磨清根等工作均由焊工一人完成，造成焊道清根時間過長，層間溫度可能低于100 ℃，不利于嚴(yán)格執(zhí)行維修方案技術(shù)要求。此外，一次維修方案未考慮反應(yīng)器運行后氫原子滲透至金屬晶格中這一關(guān)鍵因素。

3.2.3 二次維修

通過認(rèn)真分析一次維修失敗原因，經(jīng)與制造單位、監(jiān)檢單位及國內(nèi)其他行業(yè)專家共同研究，決定在原維修方案的基礎(chǔ)上調(diào)整增加如下工藝：

a.采用“非等強(qiáng)焊”原則，對基層和過渡層均使用E309L/φ3.2焊條，不嚴(yán)格區(qū)分基層與過渡層；

b.熱處理改用外部加熱方式有效控制熱處理溫度和層間溫度，并且有利于增加焊縫、熱影響區(qū)表面壓應(yīng)力的產(chǎn)生［12］（圖7、8）；

圖7 現(xiàn)場熱處理保溫及熱電偶布置

c.增加焊接期間350 ℃×2 h消氫處理；

d.增加焊后620 ℃×1.5 h消應(yīng)力處理（圖8），保溫及熱電偶按圖7進(jìn)行布置；

圖8 熱處理溫度-時間記錄曲線

e.焊接過程中采用凹坑周邊向內(nèi)收縮方式均布連續(xù)焊接，并嚴(yán)格控制中間換焊條時間和層間溫度；

f.修磨消除該部位的錯邊量。

對現(xiàn)場焊接、熱處理等實施全過程監(jiān)督，嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求。焊后24 h經(jīng)內(nèi)表面PT、基材外側(cè)（UT、TOFD）檢測合格，檢測鐵素體含量符合要求，基材硬度HB180、基材加堆焊層最小厚度70 mm。

4 安全評定

依據(jù)GB/T 19624—2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》可知，裂紋打磨后形成的凹坑，如果小于壁厚余量，則該凹坑允許存在。否則，將凹坑按照其外接矩形規(guī)則化為長軸長度、短軸長度和深度，計算無量綱參數(shù)G0，如果G0≤0.1，則該凹坑在允許范圍內(nèi)［13］，否則就需要焊接維修。通常采用等強(qiáng)焊維修壓力容器，即不改變設(shè)備原設(shè)計材料（包括焊材）和焊縫結(jié)構(gòu)，無需考慮強(qiáng)度問題。而該反應(yīng)器裂紋缺陷現(xiàn)場維修了兩次：第1次清除缺陷長度150 mm、深28.5 mm（包括堆焊層）、使用R307C焊條補(bǔ)焊、補(bǔ)焊到基材平齊、24 h后檢測發(fā)現(xiàn)有裂紋。第2次清除缺陷、打磨凹坑長度180 mm，從基層開始采用E309L焊條，最后面層覆蓋一層E347，厚度3 mm左右。鑒于維修時本應(yīng)是Cr-Mo鋼焊縫金屬的部分，采用了不銹鋼焊條進(jìn)行維修，而不銹鋼焊縫金屬強(qiáng)度小于Cr-Mo鋼焊縫金屬強(qiáng)度，因此還需要對該處焊縫維修部位進(jìn)行強(qiáng)度校核評價即安全評定。

4.1 強(qiáng)度校核依據(jù)及方法

根據(jù)反應(yīng)器設(shè)計、制造有關(guān)資料和圖紙，確定強(qiáng)度校核依據(jù)為：GB 150—2011 《鋼制壓力容器》；GB/T 19624—2019 《在用含缺陷壓力容器安全評定》；反應(yīng)器設(shè)計、制造有關(guān)資料和圖紙。

校核時，基于表3、圖4的檢測結(jié)果和上述失效分析結(jié)果可知，材質(zhì)未發(fā)生劣化。因此將不銹鋼補(bǔ)焊的本應(yīng)是Cr-Mo鋼焊縫金屬的部分作為凹坑（不考慮不銹鋼堆焊層的強(qiáng)度），并對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4.2 凹坑評定

4.2.1 凹坑的表征與凹坑部位容器尺寸的確定

根據(jù)現(xiàn)場測量和設(shè)備資料，凹坑深度為補(bǔ)焊Cr-Mo鋼基層的深度，打磨深度（28.5 mm）-堆焊層厚度 （6.5 mm）=22 mm，凹坑長度取實際尺寸180 mm，凹坑的評定尺寸見表4。

表4 凹坑評定尺寸

4.2.2 G0的計算和免于評定的判別

容器表面凹坑缺陷的無量綱參數(shù)G0可按下式計算：

若G0≤0.1，則該凹坑缺陷可免于評定，否則應(yīng)計算容器的塑性極限載荷和最高允許工作壓力。將數(shù)值代入式（1），算得G0=1.1＞0.1，因此需要進(jìn)行下一步的計算，并與容器的實際工作壓力進(jìn)行比較，以確定該凹坑缺陷是否安全或可以接受。

4.2.3 流動應(yīng)力的確定

15CrMoR在評定工況 （最高工作壓力/溫度）下的屈服強(qiáng)度σs=187.4 MPa，則材料的流動應(yīng)力=φσs=1.0×187.4=187.4 MPa。

4.2.4 反應(yīng)器極限載荷和最高允許工作壓力的確定

帶凹坑缺陷容器極限載荷PL=×PL0=10.72 MPa。

帶凹坑缺陷容器最高允許工作壓力Pmax=PL/1.8=5.96 MPa，Pmax大于容器的最高工作壓力4.91 MPa。

4.3 評價結(jié)果

評價結(jié)果表明該焊縫維修部位是安全的，不影響設(shè)備在工作壓力/溫度下運行至下一個檢修周期。

5 結(jié)束語

設(shè)備維修后，歷經(jīng)8年安全運行和兩個檢驗周期的檢驗驗證，證明該現(xiàn)場焊接維修技術(shù)路線是可行的，具有一定的借鑒意義。通過該反應(yīng)器一次重大維修失敗技術(shù)分析及二次維修成功經(jīng)驗，得出如下建議：

a.基層、過渡層焊接是加氫反應(yīng)器裂紋缺陷現(xiàn)場維修成功與否的關(guān)鍵，必須制定切實可行的維修方案（包括焊接和熱處理工藝），并嚴(yán)格實施。

b.在役加氫反應(yīng)器現(xiàn)場維修可以直接采用過渡層焊材補(bǔ)焊基層，然后再對凹坑進(jìn)行安全評定，即非等強(qiáng)焊+安全評定。

c.在加氫反應(yīng)器內(nèi)部受限空間實施維修，為控制熱處理溫度和焊接層間溫度應(yīng)優(yōu)先采用外部加熱方式，并且此方式有利于增加焊縫、熱影響區(qū)表面壓應(yīng)力的生成。

d.焊接維修過程中應(yīng)考慮一定時間的消氫處理。