铬钼钢制焦炭塔的损伤及其修复处理研究

杨景标　郑 炯

（广东省特种设备检测研究院　广州　510655）

铬钼钢制焦炭塔的损伤及其修复处理研究

杨景标郑 炯

（广东省特种设备检测研究院广州510655）

基于某炼油项目焦炭塔的首次和第二次全面检验结果，分析了该在用焦炭塔的损伤形式。由于裂纹和腐蚀严重，决定对焦炭塔锥段下部进行更换处理。对于铬钼钢复合钢板的焊接，须严格按规定温度进行预热和焊后热处理来降低残余应力，合理安排焊接顺序，严格控制层间温度，避免产生裂纹。更换锥段下部的焦炭塔运行一年后，对所更换锥段和焊缝的检验结果表明，焦炭塔整体运行效果良好，所采用的焊接工艺可以有效避免裂纹，没有产生新生的裂纹和腐蚀现象。

铬钼钢焦炭塔损伤修复

焦炭塔是炼油厂中延迟焦化装置的核心设备，其工况特点是工作温度在环境温度和最高操作温度之间周期地变化，且生焦周期短，温度变化速度快；焦炭塔的受力主要包括热应力和机械应力，特别是操作温度周期性地变化所产生的交变热应力，导致焦炭塔主要出现热机械疲劳和蠕变交互作用下的失效［1］。

由于碳钢耐热强度、抗疲劳及蠕变的能力较低，随着延迟焦化装置的大型化和高参数化，制造焦炭塔的材料目前以铬钼钢为首选［2，3］。已有的检验结果表明，碳钢制焦炭塔容易发生腐蚀，但鲜见SA387 Gr11 Cl2铬钼钢制焦炭塔腐蚀的相关报道［3-5］。

某炼油项目延迟焦化装置的焦炭塔直径为9.8m，主体材质为SA387 Gr11 Cl2+410S，该焦炭塔于2009年投入使用。本文根据该焦炭塔的首次（2011年）和第二次（2014年）全面检验结果，分析其损伤情况，并对锥段下部更换修复的焊接工艺及其效果进行研究。

1　焦炭塔损伤情况

焦炭塔锥段和直段焊缝的分布如图1所示。首次检验发现锥段下部出现了深约4mm左右的蜂窝状腐蚀，在距首次检验3年后的第二次全面检验结果表明腐蚀进一步加剧，达到了5～8mm的深度。同时，锥段和直段的环焊缝上存在纵向裂纹，首次全面检验时对锥段环缝的裂纹打磨消除后，第二次全面检验发现仍有新生裂纹。锥段下部的腐蚀坑形貌见图2，环焊缝裂纹的外观形貌见图3。

图1　焦炭塔锥段和直段的焊缝分布示意图

图2　第二次全面检验时锥段的腐蚀坑形貌

图3　第二次全面检验时锥段环缝的裂纹形貌

全面检验时对焦炭塔进行资料审查和运行数据分析，锥段下部的严重腐蚀坑与多种因素有关：使用含氯离子、氨离子等腐蚀性成分的回用水作为清焦水；腐蚀严重区域距离清焦高压水管比较近，介质流速大；该区域距离转油线入口也比较近，温度高；介质从下往上流动至该部位直径突然变大，容易出现气蚀等；以上多重因素共同导致该区域的严重腐蚀现象。

图3的锥段环焊缝纵向裂纹，裂纹产生的主要原因有：

SA387 Gr11 Cl2的焊接再热裂纹倾向比较大，Cr、Mo元素的碳化在焊接时发生固溶，焊接结束后冷却时来不及析出，在再热条件下Cr、Mo的碳化物在晶内沉淀析出，使晶内强化；同时，材料中S、P等杂质也会向晶界析集，使晶界的塑性变形能力下降。在晶内强度的提高和晶界塑性变形能力降低共同作用下，当残余应力的松弛集中于晶界，实际变形量超过其塑变能力时，便容易导致再热裂纹的产生［6］。

焊接接头的应力状态是引起裂纹的另一直接原因。SA387 Gr11 Cl2母材、焊缝一般具有相对较低的塑性变形能力，且两者塑性不同，易在焊接缺陷处出现应力集中，加上氢的扩散聚集，致使诱发裂纹的临界应力值低，容易导致裂纹。

2　锥段更换修复工艺

检验结果表明焦炭塔锥段下部材料的抗腐蚀能力不足，需提高复合板的耐腐蚀等级。新更换的锥段材料选取SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625复合板，板厚为48+3mm。

焦炭塔比较苛刻的运行条件要求其焊接接头必须具备良好的高温持久强度和冲击韧性，同时要求复层的堆焊层必须具备良好的耐腐蚀性能，因此必须对焦炭塔主体材料复合钢板基层SA387 Gr11 Cl2的焊接和复层的耐蚀层堆焊进行严格的焊接工艺试验。

2.1铬钼钢的焊接特点

复合钢板SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625的基层为低合金珠光体耐热钢，具有一定的淬硬倾向。预热可以降低焊接接头的冷却速率，使焊接接头不易形成淬硬组织，从而防止裂纹的产生。一般在低合金耐热钢焊接过程中，为了防止焊接接头裂纹的发生，预热和保持层间温度非常必要［7］。控制层间温度的主要目的是为了降低冷却速率，并且可以促使扩散氢的逸出，有利于防止裂纹。如果层间温度过高，又使得晶粒过于粗大，从而影响焊接接头的塑性和韧性，不利于防止裂纹，因此须控制层间温度不高于250℃。

为了消除残余应力，降低焊缝硬度以获得良好的焊接接头力学性能，焊后需进行高温回火焊后热处理。焊后消氢热处理350℃×2h，可以加强焊接接头的氢逸出，并且减缓冷却速率。

综合低合金耐热钢的焊接特性和焊前焊后的热处理要求［8］，对焦炭塔锥段下部焊缝的焊接采用如下的工艺。所更换的锥段下部和直段见图1。

2.2焊接工艺

纵缝和环缝的破口形式及尺寸分别如图4和图5所示。

图4　纵缝破口形式及尺寸

图5　环缝破口形式及尺寸

1）纵缝母材为SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625，环缝母材为SA387 Gr11 Cl2（板厚为44mm）和SA387 Gr11 Cl2+UNSN06625。基层焊接时，为保证焊接接头具有与母材相匹配的高温持久强度和韧性，选用熔敷金属化学成分与母材成分相近的R307G焊条，规格为φ3.2mm和φ4.0 mm；复层采用ENiCrMo-3焊条。

2）焊前首先对破口进行打磨除锈。根据板厚，破口两侧边缘各100mm范围内的基层母材焊前预热温度取值为≥120℃。采用多层多道焊形式，控制层间温度不低于预热温度，且≤250℃。堆焊过渡层前，基层母材的预热温度不低于100℃，覆层层间温度不得高于120℃。中途停焊和焊接结束后立即进行消氢热处理，温度选择为350℃×2h。

3）对于环缝，基层焊接结束后，按1：3堆焊出平滑的斜面，将该环缝盖住，使覆层金属平滑过渡到基层母材。

4）纵缝和环缝的焊接工艺参数见表1。

表1　纵缝和环缝的焊接工艺参数

新更换锥段和直段纵缝的焊接、无损检测、焊后热处理、除锈喷漆工作等在制造厂内完成，并测量大小端口的直径与周长，为现场环缝的切割和组对提供准确的数据。

2.3焊缝检验检测

●2.3.1外观检验

所有焊接接头表面应圆滑过渡，不允许存在咬边、裂纹、气孔、弧坑、夹渣等缺陷；焊接接头上的熔渣和两侧的飞溅物须打磨和清理干净。

●2.3.2无损检测

所有无损检测须在焊后24h后进行。

热处理前，对所有铬钼钢接头按照JB/T 4730.2—2005 《承压设备无损检测 第2部分：射线检测》进行100%的RT检测，II级合格，检测技术等级为AB级；对所有铬钼钢接头按照JB/T 4730.3—2005 《承压设备无损检测 第3部分：超声检测》进行100%的UT检测，I级合格，检测技术等级为B级［9］。

热处理后，对铬钼钢接头进行20%的UT检测，若发现不合格缺陷，需进行100%的UT检测。

所有的铬钼钢焊接破口，气刨清根处，临时装配件去除后的表面，以及最终热处理后的铬钼钢按照JB/T 4730.4—2005 《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》进行100%的MT检测，I级合格，检测技术等级为B级。

覆层侧破口，覆层上临时装配件去除后的表面，待堆焊面，覆层堆焊完热处理后的堆焊表面，按照JB/T 4730.5—2005 《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》进行100%的PT检测，I级合格。

最终热处理后，对焊缝进行硬度测定，铬钼钢焊接接头硬度值不得高于225HB。

2.4焊后热处理

待无损检测合格后，采用电加热的方式对所有焊缝进行焊后消除应力整体热处理。热电偶布置在锥段的外壁上，并与焊缝一侧边缘的距离为50mm左右。整体焊后热处理温度为690±14℃，保温时间为4h。400℃以上升降温速率的工艺曲线如图6所示。

图6　焊后热处理温度曲线

3　修复处理效果验证

焦炭塔修复后运行满1年后，利用临时停机检修，对更换的锥段进行检验，以验证更换修复的焊接质量和整体运行状况。

3.1检验内容

针对锥段更换的焊接工艺是否合理和现场焊接质量是否满足要求，根据焦炭塔运行工况、介质、温度、压力循环异常情况，检验重点部位是更换锥段的母材、纵缝、环缝和堆焊层。根据焦炭塔实际的使用情况和失效模式制定检验方案进行检验，检验方法以宏观检查、壁厚测定、表面无损检测为主，必要时采用其他检测方法。由于临时停机时间短，最后确定对更换锥段进行100%的宏观检查，并对所更换锥段下部的焊缝进行100%的MT检测。

3.2检验结果

更换后的锥段、未更换的锥段及其连接环缝的宏观形貌见图7。

图7　新更换锥段运行一年后的宏观形貌

从图7的检验结果来看，新更换的锥段表面情况良好，未出现明显的腐蚀。新更换锥段上方的未更换锥段母材表面腐蚀坑还存在，但未见明显的扩展。这表明腐蚀严重部位集中在所更换的下部锥段。

新更换的锥段和未更换锥段的复合焊缝连接处无裂纹，这表明更换修复处理的焊接工艺合理，避免了冷裂纹和再热裂纹的发生，同时由于选用了抗腐蚀级别更高的复合板而提高了复层的耐腐蚀性能［10］。由于运行期间对操作工艺和水质进行了控制，整体运行效果良好。

为了继续验证焦炭塔修复处理的效果，需对焦炭塔锥段下部及其焊缝进行定期检验，并严格控制操作条件。如条件允许，将对更换的锥段下部进行残余应力检测，以提供焊接质量和效果的直接证据。

4　结论

1）对于淬硬倾向大的铬钼钢复合钢板的焊接，做好焊前预热和焊后热处理是关键的控制环节，应按规定温度进行预热和焊后热处理来降低残余应力、利于氢的逸出，合理安排焊接顺序，严格控制层间温度和焊接线能量，避免产生冷裂纹。

2）中途停焊和焊接结束后须立即进行消氢热处理，工艺选择为350℃×2h。所有无损检测须在焊后24h后进行，确保焊接接头没有超标缺陷。

3）严格控制操作条件，尽量延长生焦周期，加强对切焦水质的管理，同时做好焦炭塔锥段的应变和温度监测工作。建议继续利用停炉清焦的临时停机时间对焦炭塔进行检验，观察运行环境对焦炭塔的裂纹和腐蚀的影响，对焦炭塔的安全性能作进一步的评估。

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［10］刘星，宋翠娥.延迟焦化装置焦炭塔选材［J］.炼油技术与工程，2010，40（3）：26-29.

［广东省特种设备检测研究院科技项目（焦炭塔合于使用评价关键技术研究）：2015CY02］

Research on Damage and Repair of the Chrome-Molybdenum Steel Coke Drum

Yang JingbiaoZheng Jiong
（Guangdong Institute of Special Equipment Inspection and ResearchGuangzhou510655）

Based on the results of the first and second periodic inspection of the coke drum in an oil refinery，the damage forms of the coke drum in service were analyzed. Replacement of the lower part of the cone of the coke drum was carried out due to the severe cracks and corrosion. For welding of Chrome-Molybdenum steel composite steel plate， the processes should be strictly in accordance with the provisions of the temperature of preheating and post welding heat treatment， reasonable welding sequence arrangement， and the temperature between layers to reduce residual stress and avoid cracks. After one year running of the coke drum， inspection results without new cracks and corrosion， and the operation of the replaced cone section was in good condition， which showed that the welding process could effectively avoid the generation of cracks and corrosion.

Chrome-Molybdenum steelCoke drumDamageRepair

X933.4

B

1673-257X（2016）08-0006-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.002

杨景标（1978～），男，博士，副部长，高级工程师，从事特种设备检验检测及科研工作。

2016-03-15）