加氢反应器人孔接管堆焊层裂纹成因分析与处理

姚硕，卢俊文，湛立宁，王肖逸，陈敏，周璐璐

（河北省特种设备监督检验研究院唐山分院，河北 唐山 063000）

加氢操作是降低原油中氯、硫、氮等有害杂质含量，提高成品油质量的关键工艺，而加氢反应器是加氢工艺的关键设备[1]。加氢反应器在高温、高压且临氢环境下运行，盛装介质中含有H、H2S和HCl等强腐蚀性介质，对制造材料的耐蚀性能要求较高；同时还要满足强度要求。通常采用复合材料或者采用满足强度要求的低合金钢作为基材，在基材表面堆焊耐蚀性材料的方法，奥氏体焊材E309L+E347L 是常见的堆焊材料。但是由于堆焊方法不同、堆焊质量的参差不齐，加之设备运行状态的不稳定，因此时常会在堆焊层表面产生裂纹，若不及时修复，盛装介质会对基材产生腐蚀破坏[2]。为防止堆焊层产生裂纹或者降低产生裂纹的可能性，并采取合理处理措施，是炼化行业科技人员不断研究的课题[3]。

以压力容器定期检验中发现的反应器人孔接管堆焊层开裂案例，分析堆焊层开裂原因并采取有效的处理措施，以使设备投入正常运行后，定期检验中不再出现裂纹缺陷。

1 设备概况

某炼化公司的1台加氢反应器，2017年2月投入使用，2020年4月首次定期检验。反应器壳体材质为2.25Cr1MoV，壳体表面双层堆焊不锈钢，过渡层采用E309L 堆焊，表面耐蚀层采用E347L 堆焊，双层堆焊厚度为5 mm，其中表面耐蚀层厚度不小于2 mm。壳体母材厚度为89 mm，筒体外径3.3 m，长度17.51 m，人孔接管直径φ 450 mm。加氢反应器技术参数如表1所示。

表1 加氢反应器技术参数Tab 1 Technical parameters of hydrogenation reactor

在对该台设备定期检验中，渗透检测人孔接管内表面堆焊层时发现表面裂纹，位于人孔接管与长颈法兰连接的环焊缝处，渗透检测裂纹形貌如图1所示。

图1 渗透检测裂纹形貌Fig 1 Penetration detection of crack morphology

为进一步检查裂纹状况，使用无铁基砂轮对裂纹表面轻度打磨，然后用10 倍放大镜检查，裂纹宏观形貌如图2所示。

图2 裂纹宏观形貌Fig 2 Macro morphology of cracks

同时在人孔接管外表面进行UT检测，接管母材及环焊缝未发现裂纹缺陷，查阅运行记录，有1次短暂超温操作。

2 检验项目

2.1 化学成分分析

采用射线光谱分析仪、碳硫分析仪对堆焊层的表层（耐蚀层）E347L、过渡层E309L进行化学成分检测，裂纹部位堆焊层化学成分如表2所示。

表2 裂纹部位堆焊层化学成分Tab 2 Chemical composition of weld overlay at crack location

从表2 可以看出，堆焊层化学成分符合GB/T 983－2012标准对E347L、E309L焊材的要求[4]。

2.2 硬度检测

对人孔接管内表面堆焊层进行硬度检测，检测位置如图3所示。

图3 硬度检测位置Fig 3 Hardness Testing Location

检测位置沿轴向分布3个检测环带，分别是长颈法兰环焊缝位置（C1）、人孔接管转角位置（C2）、C1与C2的中间位置（C3），每个环带沿周向分布4个检测点，分别是面对法兰的12点钟、3点钟、6点钟、9点钟位置。

采用便携式HBX-0.5布氏硬度计，按图3所示位置检测硬度，人孔接管堆焊层硬度检测结果如表3所示。

表3 人孔接管内表面堆焊层布氏硬度Tab 3 Brinell hardness of surfacing layer on inner surface of manhole nozzle

从表3 可以看出，长颈法兰环焊缝位置（C1环带）硬度高于其他2个检测环带，但满足制造技术文件硬度小于245 HB的要求。

2.3 铁素体检测

奥氏体不锈钢易产生焊接热裂纹，其中铁素体含量直接影响热烈纹倾向，过低的铁素体含量（质量分数小于3%）会加大热裂纹倾向，同时降低耐蚀性能；过高的铁素体含量（质量分数大于15%）易形成σ相转变，在400～500 ℃温度下长期运行时，将导致堆焊层强性脆化[5]。奥氏体不锈钢中含有适量铁素体，可以形成奥氏体+δ铁素体双相组织，从而提高堆焊层的抗裂纹性能、耐蚀性能，临氢条件下服役的设备，通常将铁素体的质量分数控制在3%～8%[6]。

采用FMP30 铁素体检测仪，检测人孔接管堆焊层铁素体含量，无裂纹区域的铁素体的质量分数为3.78%～7.05%，检测结果在正常范围内；裂纹区域铁素体的质量分数为0.93%～2.35%，含量低于正常范围。

2.4 金相分析

采用PTI6500型金相显微镜，分别在堆焊层裂纹部位和无裂纹区域进行金相分析，无裂纹部位取点选在C2环带处，其金相组织为奥氏体+δ铁素体，无裂纹区域金相组织如图4所示。

图4 无裂纹区域金相组织Fig 4 Metallographic structure of crack-free area

由图4 可以看出，裂纹区域堆焊层金相组织中，奥氏体溶解的δ铁素体极少，与铁素体检测结果一致。

裂纹区域金相组织如图5所示。

图5 裂纹区域金相组织Fig 5 Metallographic Structure of Crack Area

由金相组织分析可知裂纹沿晶间扩展。

3 堆焊层裂纹原因分析

3.1 氢聚积

堆焊层材料E309L+E347L 均为奥氏体组织，其中溶解的氢元素含量高于基材2.25Cr1MoV，而氢扩散系数却低于基材，尤其是停工状况下，基材的氢扩散速度远高于堆焊层，从而导致基材与堆焊层氢浓度差距加大，可使堆焊层氢含量高于母材10倍以上，在高温下引起铁素体σ相转变，使其断后伸长率降至10%以下，与脆性材料5%的伸长率较为接近，加大了堆焊层脆性开裂的可能性[7]。

3.2 热应力

堆焊层E309L+E347L 导热系数低于基材2.25Cr1MoV，而热膨胀系数却大于基材，在开工的升温操作时，导致堆焊层与基材之间产生较大膨胀差，设备运行时操作温度波动也产生膨胀差，从而产生较大热应力[8]；在停车降温操作时，基材降温速度明显高于堆焊层降温速度，同样会产生热应力。最终导致堆焊层应力集中部位或有原始缺陷部位产生疲劳应变，达到一定的开停工次数，使堆焊层产生脆性裂纹。

3.3 综合分析

综合考虑设备运行状况，结合铁素体检测、化学成分分析、硬度检测和金相分析结果，可以总结出堆焊层裂纹产生原因。人孔接管内壁堆焊层为手工堆焊，检验中其他埋弧带级堆焊的部位均未见缺陷，而手工堆焊位置在人孔接管环焊缝处，堆焊工艺控制不严，产生较大的应力集中，是堆焊层出现裂纹的初始原因。设备运行不稳定，出现过短暂超温现象，是产生裂纹的诱导因素，在堆焊层与基材之间产生了较大的热应力，使覆盖环焊缝的堆焊层出现裂纹，在强腐蚀介质H2S的作用下，使裂纹沿堆焊层晶间扩展，最终形成2处弥散型裂纹。

通过铁素体检测和金相分析可知，裂纹区域的铁素体的质量分数低于3%，金相组织中奥氏体溶解的铁素体极少，降低了堆焊层抵御裂纹的能力，σ铁素体含量不足是导致不锈钢堆焊层出现裂纹的根本原因。

4 返修措施

经宏观检查和超射波检测确认，堆焊层表面裂纹在基材结合面终止，基材还没有产生腐蚀缺陷，不会影响反应器的强度承载能力。采用无铁基砂轮打磨后，部分裂纹已消除，但是仍有部分裂纹浅层打磨后无法消除，一直沿过渡层扩展道与母材结合面。为防止后续使用过程中，介质对基材产生腐蚀，影响设备的正常使用，对堆焊层采取补焊措施。由于反应器在临氢条件下运行，介质氢已扩散至堆焊层和基材，所以裂纹打磨后应进行消氢处理，采用绳式电加热器对施焊部位预热至250～300 ℃，在此温度下恒温4 h，使氢元素完全溢出才能保证返修质量。

打磨深度应深入到母材2～3 mm，经渗透检测确认裂纹消除后，采用焊条电弧焊方法补焊，过渡层采用E309L、表层采用E347L焊条，直径均为φ 3.2 mm，焊前在350～400 ℃下烘干1 h。过渡层焊前预热至150 ℃，过渡层堆焊完成后进行后热，在250～300 ℃下保温1 h，堆焊过程中应控制层间温度小于100 ℃，采取小电流、快速焊接的方式，尽量减少在高温区停留时间[9]。焊接工艺参数如表4所示。

表4 焊接工艺参数Tab 4 Welding Process Parameters

按表4所列焊接工艺参数，对耐蚀层和过渡层进行了补焊，补焊后的表面进行打磨处理，然后进行100% PT 和100% RT 检测，按NB/T 47013－2015 标准，I 级合格后投入使用，3 年后定期检验中没有再出现裂纹缺陷[9]。

5 结束语

1）加氢反应器人孔接管堆焊层裂纹成因包括：手工焊接工艺控制不严，环焊缝表面堆焊层应力集中没有消除；奥氏体中铁素体含量过低，导致耐腐蚀能力降低；堆焊层与基材导热系数不同，在升降温和超温运行时，产生较高热应力，导致堆焊层在应力集中部位开裂。

2）防止奥氏体不锈钢堆焊层产生裂纹的措施有控制铁素体的质量分数在3%～8%，采取合理的焊接方法和热处理方式，尽量减小焊接应力；在使用过程中，尽量降低开停车频率及升温、降温速度，防止产生较高热应力。

3）堆焊层返修前应进行消氢处理，焊前预热到150 ℃，采用小电流、快速焊的方式完成堆焊，过渡层焊接完毕后进行后热处理，焊前及耐蚀层堆焊完成后进行100% PT 和100% RT 检测，并确认铁素体含量是否在正常范围内。