摘要：Ⅰ-R105加氢反应器在检验中发现器壁上有二处从堆焊层表面深至器壁母材龟裂的裂纹；在工作条件下，产生设备裂纹的萌生和扩展。并根据材料的性质特点，制订了缺陷的修复方案并予以实施，效果良好。
关键词： 加氢反应器龟裂氢脆回火脆化修复
一、前言
随着石油化工技术的不断发展，油品精制和重油深加工工艺日趋深化和普遍。加氢反应器是该技术的核心设备，也是石化装置中制造技术最复杂，运行条件最苛刻的设备之一。为了防止高温氢蚀，母材一般均按 ＡＰＩ—９４１公告的抗氢曲线（纳尔逊曲线）选用2.25Cr1Mo 钢。为防止高温硫化氢腐蚀及停工后的硫酸腐蚀，内壁堆焊奥氏体不锈钢。
Ⅰ-R105 加氢装置加氢反应器，自投用，已运行约５万ｈ。该反应器筒体材质为2.25Cr1Mo＋ 堆焊（TP309L+TP347L），长期在高温高压下运行，并受到油气、氢和硫化氢的作用。对开罐的Ⅰ-R105 进行了压容全面检验，发现了其筒体堆焊层存在一处缺陷，堆焊层表面有一处放射状裂纹，经打磨，裂纹穿透两层堆焊层，一直发展到器壁母材。经分析产生的原因后，制订详尽的修复方案并实施，取得良好的效果，目前，设备运行正常。
二、加氢反应器 Ⅰ-R105概况
１ 设备技术参数
加氢反应器Ⅰ-R105 技术参数见下表 。
表1 加氢反应器主要技术参数
２ 设备结构
三、加氢反应器 Ⅰ-R105的检验
渣油加氢装置停工期间，根据《压力容器安全技术监察规程》的要求，对渣油加氢装置的加氢反应器进行了检验，情况如下。反应器外壁焊缝外观质量良好，未发现有影响反应器 安全使用的严重缺陷。反 应器其余Ａ、Ｂ类 对接焊缝及裙座焊缝均未发现裂纹、变形和泄漏等异常现象，各热电偶管表面、凸台拐角及接管应力集中部位也均未发现表面裂纹，无咬边等缺陷；反应器支承裙座、地脚圈以及紧固螺栓均完好，无基础下沉、倾斜和开裂等现象。
发现内表面堆焊层存在一处直径40ｍｍ 的补焊区，该补焊区有一条37ｍｍ裂纹。图1
图1 图2
图3 图4
密封槽有二条35ｍｍ放射状裂纹图2。对基层与堆焊层连接处进行超声检测，未发现层间裂纹。对放射状裂纹进行表面打磨，至3ｍｍ 深，呈现出点状夹渣，如图3 所示。继续打磨，裂纹仍然存在，把堆焊层全部磨掉后做着色探伤检查，仍然有裂纹存在。裂纹在器壁母材上呈现出放射状龟裂，图4，将母材打磨掉约2ｍｍ 许，再作着色检查，裂纹消失。从堆焊层表面至母材，打磨深度约为9.5ｍｍ。
图1反应器内壁堆焊层缺陷打磨消除
四、加氢反应器 Ⅰ-R105开裂的技术分析
针对加氢反应器的裂纹，进行技术分析是必要的，目的在于查清产生缺陷的原因，确定正确应对策。
１ 堆焊层的开裂
不锈钢堆焊金属的氢脆损伤也称堆焊层的氢致裂纹。一般规定，奥氏体不锈钢堆焊层铁素体相最小体积分数为３％ ～４％，最大为８％ ～１０％。下限防止热裂纹，上限使σ相形成最小。焊后初始，堆焊层有较好的延伸性，但在焊后的热处理中，一部分δ铁素体会转变成低延伸性的σ相。此外，操作环境中的溶解氢能进一步降低奥氏体焊件的韧性及延伸性。当σ相吸氢２０×１０－６ ～５０×１０－６ 后，易 引 起 沿 吸 氢 的 σ 相 开 裂 并 扩 展。有 关ＳＵＳ３４７ 不锈钢的研究表明：延伸性的损失与氢含量呈线形比例并且也受铁素体和σ相含量影响，铁素体和σ相含量越高，则延伸性和韧性的损失也越大，越容易产生裂纹，操作中重复的开、停工可使表面裂纹程度加深。裂纹产生于堆焊金属之中，由堆焊层表面向器壁内部发展。对３０９＋ ３４７ 双层堆焊结构，多数穿透３４７ 堆焊层的裂纹终止于３４７ 与３０９ 堆焊层的交界面；但也有少数的裂纹会穿透３０９ 堆焊层到达堆焊层与2.25Cr1Mo钢壳体的熔合面。对于采用３０９ 或３４７ 单层堆焊的结构，穿透堆焊层到达堆焊层与２；２５Ｃｒ１Ｍｏ 钢筒体熔合面的裂纹数量则可能较多。裂纹扩展到 2.25Cr1Mo钢母材的案例较为少见。贯穿了堆焊层的裂纹使 2.25Cr1Mo钢制的壳体直接暴露在工作介质之中，从而会使壳体材料发生高温硫化腐蚀，并增加了其发生氢致破坏的可能性。金相检验结果表明，裂纹沿着堆焊金属中奥氏体晶粒间的铁素体与Ｒ相组成的网络扩展。现有的研究结果认为，不锈钢堆焊层表面裂纹形成机制可能是：
１）堆焊层中存在的 Ｒ 相以及在操作中吸氢引起的氢脆使堆焊金属脆化。
２）脆化后的堆焊金属在热应力、局部应力集中或焊
接残余应力的作用下，可能萌生裂纹并逐渐扩展。
２ 加氢反应器母材的开裂
铬钼钢的回火脆性，是指铬钼钢长期在３７１～５６５ ℃条件下使用或在此温度范围内缓慢冷却而导致材料的韧性劣化的现象。它对材料的抗拉强度及伸长率一般不造成太大影响，主要是造成冲击韧度大幅降低。其原因在于微量不纯元素（Ｐ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ）及合金元素向奥氏体晶界偏析，造成晶间凝聚力下降甚至晶间破坏。
为了降低铬钼钢的回火脆化敏感性，首先必须严格控制钢材及焊接材料的化学成分，用化学成分控制回火脆性的经验参数———Ｊ 系数、Ｘ 系数的计算式如下：
母材Ｊ 系数＝（Ｓｉ＋Ｍｎ）×（Ｐ＋Ｓｎ）×１０４
焊接材料 Ｘ 系数＝（１０Ｐ＋５Ｓｂ＋４Ｓｎ＋Ａｓ）／１００
抗回火脆性性能良好的钢，其Ｊ 系数一般控制在２００以下，Ｘ 系数控制在２５ ×10－６ 以下。
在正常的加氢反应器操作温度下，氢分子会分解成氢原子，并透过堆焊层金属渗入母材基体中，反应器壳壁吸收了大量的氢，此时氢溶解在钢中对钢是无害的。氢在钢中溶解度受塞尔维特定律控制，即氢平衡浓度与氢分压和操作温度有关。对2.25Cr1Mo钢，其吉勒和桑表达式如下：
Ｃ ＝ ０１３５ｐ１／２ｅｘｐ－３２８０／Ｔ
式中 Ｃ——— 体积分数，１０－６；
ｐ——— 氢分压，单位为 Ｐａ；
Ｔ——— 温度，单位为 Ｋ。
有研究者认为，在热壁加氢反应器的服役期间，钢制的筒体产生回火脆化是不可避免的。
装置运行中，反应器壁材料吸氢，反应器停止运行期间，特别是当残存氢在焊接区积聚时，器壁母材中残存的氢将可能引起材料变脆（可逆的脆化）。
３ 加氢反应器 Ⅰ-R105的开裂
经查阅加氢反应器Ⅰ-R105 的质量证明书，原筒体母材2.25Cr1Mo钢板均进行过１００％ＵＴ 检测，检测结果符合 ＡＳＭＥｓｅｃｔＶＳＡ４３５／ＳＡ４３５Ｍ 的要求，母材原本没有裂纹存在。而经容检，加氢反应器 Ⅰ-R105 的裂纹不仅存在于堆焊层中，而且延伸到母材。应该如何解释这种情况的改变呢？根据裂纹的表现形式，堆焊层的裂纹起源，应判断为原设备制造过程中堆焊层的焊接缺陷——— 夹渣所致。反应器堆焊层的夹渣造成的局部区域较高的应力水平，该应力和焊接结构中的焊接残余应力的共同作用，导致夹渣边缘微裂纹的萌生，堆焊层吸氢所造成的材料脆化，使得裂纹扩展，并先后穿透了双层堆焊层，到达反应器器壁处，而反应器器壁母材因吸氢和回火脆化，同样造成材料的脆化，在堆焊层裂纹的诱导下，促成反应器器壁母材发生脆性开裂和母材与堆焊层层间开裂。
五、加氢反应器 Ⅰ-R105的修复
加氢反应器Ⅰ-R105 的修复部位处于临氢环境中，其金属表面已经有氢的渗透，材料存在一定程度的劣化，其焊接性大为降低。若在焊前不进行去应力处理，没有使溶解在钢中的氢完全溢出，也没有使材料软化，在焊接过程中，焊缝融合线上的热影响区处极易产生新的裂纹。同时，开裂处新开挖打磨的焊接坡口不可能完全规则，这些都极易产生新的焊接缺陷。根据这些情况，确定如下修复方案并实施。
（１）定位 对裂纹做 ＰＴ，定位裂纹位置和长度。确保无遗漏缺陷。
（２）焊 接面处理裂纹打磨消缺，降 至常温后，作ＰＴ、ＵＴ 检查，确认裂纹完全清除。打磨后的焊接面应光滑并圆滑过渡，不得有凹坑等焊接死角。之后，对打磨处作ＰＴ 检查，确认缺陷消除无遗漏。补焊部位作中间去应力退出。去应力的同时也进行了消氢。
（３）填充焊接 为保证降低母材熔合比，减小焊接线能量输入，采用小电流，短弧焊，快速焊，直流反接且多层多道焊，每层每道焊后彻底清渣，焊道间尽量平整，凹坑处补焊填平后方可焊接下一层。为避免重新加热消氢，全部焊接过程中途不中断，确保在外加热状态下一次性完成。在整个焊接过程中，焊缝层间温度始终不低于预热温度，即２００～３００ ℃。焊接时，若超过此温度则停止施焊，待温度降至２００～３００ ℃ 时再焊；若低于此温度也停止施焊，用火焰加热法将温度加至２００～３００ ℃ 时再焊。焊工在焊接过程中发现焊接缺陷，应立即用磨光机清除。焊缝层间温度用红外测温枪监控测温。
补焊采用 TP309L+TP347L 堆焊，打磨掉的器壁母材及 Ｅ３０９Ｌ 堆焊层以 Ｅ３０９Ｌ 堆焊填补，Ｅ３４７Ｌ 堆焊层以Ｅ３４７Ｌ 堆焊填补，保证筒体总厚度不小于273+7.5ｍｍ。
（４）最终热处理堆焊后的焊接残余应力较大，为降低残余应力峰值，为软化组织，改善焊接接头性能，立即进行去应力退出。热处理曲线图如图5 所示。
图5 热处理曲线图
（５）无损检测最终热处理结束，待焊缝降至常温
后，进行 ＰＴ 检测，确认无表面裂纹。最终热处理结束36ｈ后，对补焊区域进行１００ ％ ＵＴ、１００ ％ ＭＴ、１００ ％ＰＴ检测，按ＪＢ４７３０Ｉ级合格。加氢反应器修复后投入运行，效果良好。
六、结语
１）加氢反应器正常操作温度范围和工作介质，决定了其堆焊材质器壁材质会出现氢致脆化，也决定了器壁材质不可避免地发生回火脆化。加氢反应器 Ⅰ-R105 所产生的裂纹，为制造过程中奥氏体不锈钢堆焊层原始缺陷所诱发。裂纹在劣化的材质上发生了扩展，穿透了两层堆焊层，并导致反应器器壁浅表层的开裂，严重威胁设备的安全运行。
２）2.25Cr1Mo 材料焊缝的现场修复焊接，应以如何控制避免产生新的氢致裂纹为重点，现场热处理是否可靠有效是关键。如果不能有效消除焊缝金属组织中的残留氢，则存在修复后焊缝重新产生焊接过程氢致延迟裂纹的可能。如果不能有效消除焊接过程残余应力，由于介质氢渗透并扩散的始终存在，则修复后焊缝重新开裂的可能性依然存在。加氢反应器 Ⅰ-R105 缺陷的修复由茂名市重力石化机械制造有限公司采用正确的焊接工艺，较好地处理了上述问题，取得了良好的效果。
论文作者:马冠明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
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