加氢裂化装置TP347管道焊缝裂纹成因分析及返修措施

江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 泰州 225300

1 管道概况

泰州某石化公司于2020年3—4月期间停机大修，并进行特种设备首次定期检验。在对加氢裂化装置中某TP347奥氏体不锈钢管道进行无损检测时发现某焊缝存在裂纹缺陷。管道材质为TP347，公称直径为DN500，公称壁厚为50.01mm，实测壁厚为60mm；弯头材质为WP347，公称直径为DN500，公称壁厚为50.01mm，实测壁厚为52.8～55.4mm。介质为油、氢气、H2S、氨，操作温度为405℃，操作压力为15MPa。

2 检测方法

2.1 渗透检测+超声检测

在对该TP347奥氏体不锈钢管道进行渗透检测时发现某焊缝存在表面裂纹缺陷（见图1），随后进行了100%渗透检测+超声检测进行复验，对存在的缺陷进行验证确认。

图1 渗透检测发现的缺陷

2.2 相控阵检测

为了进一步了解缺陷情况，委托第三方检测机构对该缺陷焊缝进行了相控阵检测。鉴于相控阵检测技术还没有制定国家标准，因此此次检测数据（见表1）、检测结果（见图2、图3）仅作为评估缺陷的参考建议，不作为最终检测结论判定依据。

图2 相控阵检测结果（F1）

图3 相控阵检测结果（F2、F3、F4）

表1 相控阵检测数据

2.3 硬度检测

对该缺陷焊缝及相邻母材部位进行了里氏硬度检测，借助里氏硬度检测结果（见表2），判断焊缝中是否存在δ相与475℃脆性相。

表2 里氏硬度检测结果

2.4 铁素体含量分析+金相分析

为了进一步查清裂纹形态及成因，还进行了铁素体含量分析（见图4）和金相分析（见图5），从图5中可以看出，鱼骨状奥氏体基沿晶开裂。这一现象说明在焊后热处理过程中，应力松弛时发生塑性变形，铁素体组织在热处理过程中发生组织转变或有碳化物析出，弱化晶界，局部不能满足变形从而产生裂纹。

图4 铁素体含量分析（单位：%）

图5 金相分析结果

3 缺陷成因分析

根据环焊缝的制造工艺和裂纹的形貌特征，确定TP347不锈钢管道环焊缝开裂是再热裂纹。TP347不锈钢厚壁大口径管环焊缝焊后在稳定化处理(900±10)℃中发生NbC的析出或生产高Nb的金属化合物（如σ相），使奥氏体和铁素体晶界因NbC的析出或在铁素体基体上形成金属化合物而脆化，在应力松弛晶格滑移时产生空穴，然后空穴长大，聚合而成裂纹。

4 返修措施

此次返修严格遵照特种设备相关标准、安全技术规范执行，并对一些关键措施进行了多次磋商：（1）为防止在打磨、切割或焊接中有外部应力影响，利用弹簧支吊架、支撑或加固等形式，在返修焊缝两端对管道进行固定；（2）为避免裂纹扩散，先用不锈钢专用磨头在裂纹两端，垂直裂纹方向打上止扩线，防止裂纹延伸；（3）在打磨焊缝前，按要求加好盲板，对焊口进行消氢，消氢温度为350℃，恒温时间为6h；（4）每打磨、车加工一层，进行一次渗透检测，直至裂纹消除；（5）焊接返修采用小线能量、短电弧，引弧、收弧必须在坡口内，不摆动或小幅高频摆动，摆动时摆动幅度应不大于10mm；（6）分层多道焊，每一焊道完成后均应消除焊道表面的熔渣，每一层焊接完成后，待温度降到60℃或以下，并经渗透检测合格，再进行下一层的焊接；（7）焊后再进行一次渗透检测、超声检测，Ⅰ级合格；（8）所有返修部位均应进行表面硬度检测；（9）委托有资质单位重新进行高压管道应力柔性分析。

5 结束语

通过对该加氢裂化装置TP347材质奥氏体不锈钢管道焊缝出现裂纹原因的分析，最终一致认为该TP347奥氏体不锈钢管道在安装后的焊道稳定化热处理过程中，未对法兰口进行保温棉包覆，内部未用保温棉塞住，造成加热过程中，因焊缝内外、法兰侧温度差梯度大，焊缝加热不均匀而导致内部应力。结合国内部分加氢裂化装置TP347奥氏体不锈钢管道工程几个检验周期的应用实际和对比试验，不进行焊后稳定化热处理的试件的各项力学性能、抗晶间腐蚀性能均满足要求。因此，该石化公司召集相关单位及业内专家进行充分论证，最终免除了TP347奥氏体不锈钢管道有缺陷焊缝返修后的焊后热处理。