加氫反應器人孔接管堆焊層裂紋成因分析與處理

姚碩，盧俊文，湛立寧，王肖逸，陳敏，周璐璐

（河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院唐山分院，河北 唐山 063000）

加氫操作是降低原油中氯、硫、氮等有害雜質含量，提高成品油質量的關鍵工藝，而加氫反應器是加氫工藝的關鍵設備[1]。加氫反應器在高溫、高壓且臨氫環(huán)境下運行，盛裝介質中含有H、H2S和HCl等強腐蝕性介質，對制造材料的耐蝕性能要求較高；同時還要滿足強度要求。通常采用復合材料或者采用滿足強度要求的低合金鋼作為基材，在基材表面堆焊耐蝕性材料的方法，奧氏體焊材E309L+E347L 是常見的堆焊材料。但是由于堆焊方法不同、堆焊質量的參差不齊，加之設備運行狀態(tài)的不穩(wěn)定，因此時常會在堆焊層表面產生裂紋，若不及時修復，盛裝介質會對基材產生腐蝕破壞[2]。為防止堆焊層產生裂紋或者降低產生裂紋的可能性，并采取合理處理措施，是煉化行業(yè)科技人員不斷研究的課題[3]。

以壓力容器定期檢驗中發(fā)現(xiàn)的反應器人孔接管堆焊層開裂案例，分析堆焊層開裂原因并采取有效的處理措施，以使設備投入正常運行后，定期檢驗中不再出現(xiàn)裂紋缺陷。

1 設備概況

某煉化公司的1臺加氫反應器，2017年2月投入使用，2020年4月首次定期檢驗。反應器殼體材質為2.25Cr1MoV，殼體表面雙層堆焊不銹鋼，過渡層采用E309L 堆焊，表面耐蝕層采用E347L 堆焊，雙層堆焊厚度為5 mm，其中表面耐蝕層厚度不小于2 mm。殼體母材厚度為89 mm，筒體外徑3.3 m，長度17.51 m，人孔接管直徑φ 450 mm。加氫反應器技術參數(shù)如表1所示。

表1 加氫反應器技術參數(shù)Tab 1 Technical parameters of hydrogenation reactor

在對該臺設備定期檢驗中，滲透檢測人孔接管內表面堆焊層時發(fā)現(xiàn)表面裂紋，位于人孔接管與長頸法蘭連接的環(huán)焊縫處，滲透檢測裂紋形貌如圖1所示。

圖1 滲透檢測裂紋形貌Fig 1 Penetration detection of crack morphology

為進一步檢查裂紋狀況，使用無鐵基砂輪對裂紋表面輕度打磨，然后用10 倍放大鏡檢查，裂紋宏觀形貌如圖2所示。

圖2 裂紋宏觀形貌Fig 2 Macro morphology of cracks

同時在人孔接管外表面進行UT檢測，接管母材及環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，查閱運行記錄，有1次短暫超溫操作。

2 檢驗項目

2.1 化學成分分析

采用射線光譜分析儀、碳硫分析儀對堆焊層的表層（耐蝕層）E347L、過渡層E309L進行化學成分檢測，裂紋部位堆焊層化學成分如表2所示。

表2 裂紋部位堆焊層化學成分Tab 2 Chemical composition of weld overlay at crack location

從表2 可以看出，堆焊層化學成分符合GB/T 983－2012標準對E347L、E309L焊材的要求[4]。

2.2 硬度檢測

對人孔接管內表面堆焊層進行硬度檢測，檢測位置如圖3所示。

圖3 硬度檢測位置Fig 3 Hardness Testing Location

檢測位置沿軸向分布3個檢測環(huán)帶，分別是長頸法蘭環(huán)焊縫位置（C1）、人孔接管轉角位置（C2）、C1與C2的中間位置（C3），每個環(huán)帶沿周向分布4個檢測點，分別是面對法蘭的12點鐘、3點鐘、6點鐘、9點鐘位置。

采用便攜式HBX-0.5布氏硬度計，按圖3所示位置檢測硬度，人孔接管堆焊層硬度檢測結果如表3所示。

表3 人孔接管內表面堆焊層布氏硬度Tab 3 Brinell hardness of surfacing layer on inner surface of manhole nozzle

從表3 可以看出，長頸法蘭環(huán)焊縫位置（C1環(huán)帶）硬度高于其他2個檢測環(huán)帶，但滿足制造技術文件硬度小于245 HB的要求。

2.3 鐵素體檢測

奧氏體不銹鋼易產生焊接熱裂紋，其中鐵素體含量直接影響熱烈紋傾向，過低的鐵素體含量（質量分數(shù)小于3%）會加大熱裂紋傾向，同時降低耐蝕性能；過高的鐵素體含量（質量分數(shù)大于15%）易形成σ相轉變，在400～500 ℃溫度下長期運行時，將導致堆焊層強性脆化[5]。奧氏體不銹鋼中含有適量鐵素體，可以形成奧氏體+δ鐵素體雙相組織，從而提高堆焊層的抗裂紋性能、耐蝕性能，臨氫條件下服役的設備，通常將鐵素體的質量分數(shù)控制在3%～8%[6]。

采用FMP30 鐵素體檢測儀，檢測人孔接管堆焊層鐵素體含量，無裂紋區(qū)域的鐵素體的質量分數(shù)為3.78%～7.05%，檢測結果在正常范圍內；裂紋區(qū)域鐵素體的質量分數(shù)為0.93%～2.35%，含量低于正常范圍。

2.4 金相分析

采用PTI6500型金相顯微鏡，分別在堆焊層裂紋部位和無裂紋區(qū)域進行金相分析，無裂紋部位取點選在C2環(huán)帶處，其金相組織為奧氏體+δ鐵素體，無裂紋區(qū)域金相組織如圖4所示。

圖4 無裂紋區(qū)域金相組織Fig 4 Metallographic structure of crack-free area

由圖4 可以看出，裂紋區(qū)域堆焊層金相組織中，奧氏體溶解的δ鐵素體極少，與鐵素體檢測結果一致。

裂紋區(qū)域金相組織如圖5所示。

圖5 裂紋區(qū)域金相組織Fig 5 Metallographic Structure of Crack Area

由金相組織分析可知裂紋沿晶間擴展。

3 堆焊層裂紋原因分析

3.1 氫聚積

堆焊層材料E309L+E347L 均為奧氏體組織，其中溶解的氫元素含量高于基材2.25Cr1MoV，而氫擴散系數(shù)卻低于基材，尤其是停工狀況下，基材的氫擴散速度遠高于堆焊層，從而導致基材與堆焊層氫濃度差距加大，可使堆焊層氫含量高于母材10倍以上，在高溫下引起鐵素體σ相轉變，使其斷后伸長率降至10%以下，與脆性材料5%的伸長率較為接近，加大了堆焊層脆性開裂的可能性[7]。

3.2 熱應力

堆焊層E309L+E347L 導熱系數(shù)低于基材2.25Cr1MoV，而熱膨脹系數(shù)卻大于基材，在開工的升溫操作時，導致堆焊層與基材之間產生較大膨脹差，設備運行時操作溫度波動也產生膨脹差，從而產生較大熱應力[8]；在停車降溫操作時，基材降溫速度明顯高于堆焊層降溫速度，同樣會產生熱應力。最終導致堆焊層應力集中部位或有原始缺陷部位產生疲勞應變，達到一定的開停工次數(shù)，使堆焊層產生脆性裂紋。

3.3 綜合分析

綜合考慮設備運行狀況，結合鐵素體檢測、化學成分分析、硬度檢測和金相分析結果，可以總結出堆焊層裂紋產生原因。人孔接管內壁堆焊層為手工堆焊，檢驗中其他埋弧帶級堆焊的部位均未見缺陷，而手工堆焊位置在人孔接管環(huán)焊縫處，堆焊工藝控制不嚴，產生較大的應力集中，是堆焊層出現(xiàn)裂紋的初始原因。設備運行不穩(wěn)定，出現(xiàn)過短暫超溫現(xiàn)象，是產生裂紋的誘導因素，在堆焊層與基材之間產生了較大的熱應力，使覆蓋環(huán)焊縫的堆焊層出現(xiàn)裂紋，在強腐蝕介質H2S的作用下，使裂紋沿堆焊層晶間擴展，最終形成2處彌散型裂紋。

通過鐵素體檢測和金相分析可知，裂紋區(qū)域的鐵素體的質量分數(shù)低于3%，金相組織中奧氏體溶解的鐵素體極少，降低了堆焊層抵御裂紋的能力，σ鐵素體含量不足是導致不銹鋼堆焊層出現(xiàn)裂紋的根本原因。

4 返修措施

經宏觀檢查和超射波檢測確認，堆焊層表面裂紋在基材結合面終止，基材還沒有產生腐蝕缺陷，不會影響反應器的強度承載能力。采用無鐵基砂輪打磨后，部分裂紋已消除，但是仍有部分裂紋淺層打磨后無法消除，一直沿過渡層擴展道與母材結合面。為防止后續(xù)使用過程中，介質對基材產生腐蝕，影響設備的正常使用，對堆焊層采取補焊措施。由于反應器在臨氫條件下運行，介質氫已擴散至堆焊層和基材，所以裂紋打磨后應進行消氫處理，采用繩式電加熱器對施焊部位預熱至250～300 ℃，在此溫度下恒溫4 h，使氫元素完全溢出才能保證返修質量。

打磨深度應深入到母材2～3 mm，經滲透檢測確認裂紋消除后，采用焊條電弧焊方法補焊，過渡層采用E309L、表層采用E347L焊條，直徑均為φ 3.2 mm，焊前在350～400 ℃下烘干1 h。過渡層焊前預熱至150 ℃，過渡層堆焊完成后進行后熱，在250～300 ℃下保溫1 h，堆焊過程中應控制層間溫度小于100 ℃，采取小電流、快速焊接的方式，盡量減少在高溫區(qū)停留時間[9]。焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Tab 4 Welding Process Parameters

按表4所列焊接工藝參數(shù)，對耐蝕層和過渡層進行了補焊，補焊后的表面進行打磨處理，然后進行100% PT 和100% RT 檢測，按NB/T 47013－2015 標準，I 級合格后投入使用，3 年后定期檢驗中沒有再出現(xiàn)裂紋缺陷[9]。

5 結束語

1）加氫反應器人孔接管堆焊層裂紋成因包括：手工焊接工藝控制不嚴，環(huán)焊縫表面堆焊層應力集中沒有消除；奧氏體中鐵素體含量過低，導致耐腐蝕能力降低；堆焊層與基材導熱系數(shù)不同，在升降溫和超溫運行時，產生較高熱應力，導致堆焊層在應力集中部位開裂。

2）防止奧氏體不銹鋼堆焊層產生裂紋的措施有控制鐵素體的質量分數(shù)在3%～8%，采取合理的焊接方法和熱處理方式，盡量減小焊接應力；在使用過程中，盡量降低開停車頻率及升溫、降溫速度，防止產生較高熱應力。

3）堆焊層返修前應進行消氫處理，焊前預熱到150 ℃，采用小電流、快速焊的方式完成堆焊，過渡層焊接完畢后進行后熱處理，焊前及耐蝕層堆焊完成后進行100% PT 和100% RT 檢測，并確認鐵素體含量是否在正常范圍內。