加氢反应器不锈钢堆焊层表面裂纹原因分析及返修工艺探讨

潘志浩，李绪丰，傅如闻

(广东省特种设备检测研究院，广东 佛山 528251)

加氢反应器是加氢装置和加氢工艺过程的核心设备，为增强设备的抗腐蚀性能，广泛采用奥氏体不锈钢堆焊工艺，但由于长期服役于高温和较高压力下，且处于临氢苛刻环境，导致奥氏体不锈钢堆焊层表面裂纹成为加氢反应器检验发现的常见缺陷之一[1-2]。

由于加氢反应器处于工艺装置关键路径，如何对该类设备的缺陷进行全面检测和分析，从而采取相应的处理措施，不仅是确保装置长周期安全运行的重点所在[3]，同时也是困扰装置设备人员的难题之一。本文以石化乙烯裂解装置中二段加氢反应器为例，检验发现上下封头与筒体的对接环焊缝及人孔内壁焊缝部位奥氏体不锈钢堆焊层存在整圈弥散型裂纹，通过渗透检测、相控阵检测、铁素体检测、理化检验等多种方法对裂纹成因进行分析，继而提出针对性的返修工艺。

1 设备参数

该装置二段加氢反应器相关设计参数见表1。

表1 二段加氢反应器参数

该加氢反应器采用双层堆焊结构，基层材料为SA387-Gr11-CL2(1.25Cr-0.5Mo),过渡层材料为E309L，复层材料为E347，堆焊层设计厚度为7.0 mm，反应器结构示意如图1所示。资料审查发现设备运行中有短时超温情况。

图1 反应器示意图

2 主要检验项目及结果

2.1 渗透检测

对上下封头与筒体对接焊缝部位(图1中B1和B2)奥氏体不锈钢堆焊层内表面按照NB/T47013-2015[4]的要求进行渗透检测。经渗透检测发现不锈钢手工堆焊层内表面对接环焊缝B1和B2存在大量弥散型裂纹，形态如图2、图3所示，从图2、图3可见裂纹断续且细，无明显分枝。为了进一步确认缺陷分布情况，对人孔部位塔盘角焊缝及所有热电偶角焊缝进行扩探，扩探部位依然发现存在多处表面裂纹。同时抽查4处非手工堆焊层，检测结果表明，所有离散型裂纹均出现在手工堆焊部位。

图2 B1环缝弥散型裂纹

图3 B2环缝弥散型裂纹

2.2 相控阵检测

通过渗透检测仅能发现缺陷的分布情况，对于裂纹是否延伸至基体母材则无法做出判断，而利用相控阵检测的技术优势则能较好弥补这一不足[5]。采用4.0L16-0.5-9探头，选择灵敏度为φ2×40-4dB从反应器对接环焊缝B1和B2外壁封头单侧进行扇形扫查，经检测未发现反射回波，如图4所示，说明内表面堆焊层裂纹未扩展至基体母材。

图4 相控阵扫查成像

2.3 硬度检测

对内壁奥氏体不锈钢堆焊层上下封头与筒体对接环焊缝及两侧并沿焊缝周向进行硬度抽查，其结果见表2。从表中数据可以看出，内表面堆焊层环焊缝硬度较两侧稍高，但实测最大硬度<245 HB[6]。

表2 上、下环焊缝区域硬度测量数据(HB)

2.4 铁素体分析

采用便携式铁素体测定仪对不锈钢堆焊层进行抽查，内壁环焊缝经渗透检测发现裂纹的部位，其铁素体含量低于3%，而无缺陷抽检部位的铁素体含量均在3%～10%内。

2.5 金相检验

分别选取底部环焊缝区域无缺陷部位和裂纹部位进行金相检验。采用现场便携式显微镜PTI-2000，机械抛光，用王水做腐蚀液，得到的显微组织分别如图5、图6所示。无缺陷部位显微组织为：奥氏体+δ铁素体，裂纹部位的显微组织中奥氏体基体溶解的铁素体极少。

图5 无缺陷部位金相组织

图6 裂纹部位金相组织

3 裂纹原因分析

结合设备运行情况，通过对前述各种检验检测结果进行深入分析，得出裂纹成形原因。首先，堆焊层表面裂纹均在手工堆焊的焊缝位置，所抽检的非手工焊部位检测的结果均未见异常，说明设备制造过程中手工堆焊工艺控制不严，这是导致堆焊层对接环焊缝表面出现弥散型裂纹的主要原因；其次，设备运行过程中出现过超温现象，虽然时间较短，但堆焊层采用的奥氏体不锈钢材料的导热系数远比母材低,热膨胀系数却高于母材[7]，这种情况下，应力集中的焊缝部位在热应力效应叠加下，促使堆焊层环焊缝位置出现细微裂纹，在高温高压临氢工况下，裂纹沿环焊缝周向整圈弥散分布；再次，铁素体一般均布成小岛状存在于奥氏体晶粒间，能有效提高金属的耐晶间腐蚀性能[8]，而实际检测结果堆焊层表面裂纹部位的铁素体含量偏低，且金相显微组织中奥氏体基体中溶解的铁素体极少，二者结果表明，奥氏体不锈钢堆焊层中铁素体含量不足是导致出现裂纹的根本原因。

4 返修工艺探讨

基于上述原因分析，对内壁堆焊层焊缝返修过程应制定合理的返修工艺并严格执行，尤为关键的是修磨补焊工艺。综合考虑设备材料与结构因素后，制订返修工艺主要包括以下几点：(1)对存在缺陷的堆焊焊缝焊前进行消氢热处理，热处理温度控制在300～350 ℃，保温时间20～24 h；(2)重新PT检测，标记缺陷位置；(3)机械方法清除缺陷并圆滑过渡，严控层间温度≤100 ℃，防止过热，PT复验确认消缺；(4)测量消缺后打磨深度H，并据此采取相应补焊工艺。H≤3 mm时，采用焊条电弧焊堆焊复层，控制层间温度≤100 ℃，并修磨平滑过渡，PT、FN复测合格；36 mm时，需准确测量基材损伤深度，可参照3

5 结论与建议

(1)通过多种方法对奥氏体不锈钢堆焊层裂纹进行检测，根据检测结果并结合设备运行情况，分析得出裂纹产生的根本原因是奥氏体不锈钢中铁素体含量不足，主要原因是设备制造过程手工堆焊工艺控制不严，高温热应力叠加堆焊焊缝残余应力导致产生沿环焊缝弥散分布裂纹。

(2)基于裂纹原因分析，综合考虑设备材料与结构特点，提出了根据不同消缺打磨深度的对应返修工艺，为石油化工行业同类设备的返修处理提供了有益借鉴。

(3)建议加强设备日常运行监控，防止超温超压运行，同时严格执行开停车工艺。