石化煉油裝置石腦油加氫保護反應器堆焊層定期檢驗及缺陷處理方法

修 杰 秦志輝

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院 南寧 530219）

在1000 萬噸/年石化煉油裝置中的石腦油加氫及輕烴尾氣回收過程，保護反應器是石腦油加氫裝置的關鍵核心設備，為板焊結構，內壁堆焊兩層奧氏體不銹鋼，制造技術復雜，價格昂貴，長期在高溫、臨氫環境下運行，裝置工藝介質中的H2、H2S、SO2、CS2、NH3及周邊大氣等氣體，均會對裝置產生不同程度的腐蝕或破壞。根據不同的腐蝕機理，石腦油加氫-輕烴回收裝置壓力容器主要發生的損傷類型為：高溫硫腐蝕、氫腐蝕、濕H2S 腐蝕、連多硫酸應力腐蝕、氯化物應力腐蝕幾種類型。

保護反應器設計及使用參數見表1。

表1 保護反應器設計及使用參數

1 損傷形式分析

1）高溫硫腐蝕：腐蝕的因素主要有溫度、硫化氫濃度、介質流速、材質以及環烷酸的含量。溫度升高促進了硫、硫化氫、硫醇等與金屬的化學反應，硫化氫是所有活性硫化物中腐蝕性最大的。因此，無論是原油，成品油或半成品油中所含的硫化氫濃度越高，則腐蝕性越大。由工作條件決定，腐蝕常以均勻變薄的形式出現，但也會發生例如局部腐蝕或高腐蝕速率破壞。

2）氫腐蝕：在裝置加氫過程中，溫度超過260℃，氫的分壓大于689kPa，就有可能發生氫分子在鋼的表面分解為原子氫而發生腐蝕。氫腐蝕是原子氫進入鋼鐵材料，并與碳化物反應生成甲烷(Fe3C+4H →3Fe+CH4)，由于甲烷的分子尺寸大而不易擴散，會使甲烷在晶界或相界面等處聚集產生局部高壓，形成微裂紋，進而材料脆化。

3）濕H2S 腐蝕：濕H2S 破壞主要影響材料為碳鋼和低合金鋼，其損傷過程也是跟電化學反應有關，H2S 在水溶液里電離產生H+、HS-、S2-，電化學反應中產生的H 原子進人鋼中，引起氫致開裂（HIC）和氫鼓泡（HB）。

4）連多硫酸應力腐蝕：連多硫酸(H2SxO6)環境一般是加工含硫原油的裝置在停工期間，殘留在設備中的含硫腐蝕產物遇水和氧反應生成，若遇到連多硫酸，就會發生沿晶應力腐蝕開裂。連多硫酸應力腐蝕開裂主要發生在奧氏體材料上。

5）氯化物應力腐蝕：不銹鋼和鎳合金的應力腐蝕開裂絕大多數是由于氯化物引起的，由于Cl-的存在，可以有效降低金屬表面能，穿破鈍化膜，加速陽極溶解過程。奧氏體不銹鋼的氯化物應力腐蝕一般是穿晶斷裂。

2 檢驗前準備工作

1）按容器停車操作規程，先降壓后降溫，并用N2置換反應器內的介質。

2）用盲板隔斷所有進出氣液管道并設置寫著“盲板”字樣的隔離標志，開罐前應采取抑制含硫原油的裝置在停工期間產生連多硫酸腐蝕的有效措施。

3）開啟頂蓋，卸掉催化劑，卸去進出料彎管。

4）拆除妨礙檢驗的內件，清除容器內部灰渣、污物等；催化劑床層凸臺等表面應清理干凈，露出凸臺本體；下封頭底部污物應全部清除干凈。

5）拆除容器封頭、彎管和筒體部位保溫層。

6）搭設內外部腳手架(層間距為1600mm ～ 1800mm，護欄高度為1000mm)，內部為滿堂架，從容器器頂部人孔至底部為一豎井通道，專用鋼直梯設置在通道內，每層距內壁100mm 鋪滿跳板，外部鋪設并排跳板并搭設護欄，腳手架應牢固可靠。

7）容器外壁受檢部位打磨除銹必須采用軟砂片，不得損傷反應器器壁。受檢焊縫及其兩側各150mm～200mm 范圍內必須打磨露出金屬光澤，以滿足磁粉檢測和超聲波檢測要求。

8）容器內壁堆焊層表面油污必須用高壓水（Cl-含量小于25mg/L）沖刷和清洗，并采用軟砂片和不銹鋼絲輪打磨至露出金屬光澤（不允許損傷堆焊層面），以滿足表面檢查和滲透檢測要求。

9）容器內氣體經取樣分析達到含氧量應當在 18%～23%(體積比)規定及辦理進罐證后，方可進罐檢驗，同時罐外人孔應有專人負責監護。

10）容器內照明電源電壓不得超過36v，進入容器內部使用的工具和儀器必須用絕緣電纜作電源導線，從容器筒壁及底部開口處，安裝軸流風機或送壓縮空氣，以保證容器內空氣流通。

3 檢驗方法

3.1 宏觀檢查

檢測容器本體、對接焊縫、接管焊縫、熱偶套管處焊縫部位的裂紋、過熱、變形、泄漏等，焊縫表面（包括近縫區）以肉眼或5 ～10 倍放大鏡檢查裂紋；容器的裂紋最易發生在形狀、尺寸突變處或焊縫附近，特別是應力集中的地方，應檢查管口、管程隔板、浮頭蓋是否有裂紋。

3.2 測厚檢查

1）上下封頭：在上、中、下三個位置，在0°、90°、180°、270°四方位測定。

2）筒節抽查：在距環焊縫一定位置，在0°、90°、180°、270°四方位測定。

3）人孔及所有容器的接管：在同一截面四方位 測定。

4）發現有氫鼓包的部位，應測量大鼓包的金屬厚度，以確定有效的剩余壁厚。

5）與容器殼體進口及其接管部位、鄰近入口防沖板的容器壁內表面可能會受到侵蝕或沖蝕，應當重點測厚。

6）氣液相交界（或液面波動）部位應當測厚。

3.3 無損檢測

●3.3.1 超聲檢測

1）焊縫的超聲檢測

（1）筒體環焊縫抽查至少兩環縫；

（2）筒體縱焊縫抽查至少兩個縱縫全部；

（3）接管與上封頭連接的縱焊縫全部；

（4）接管與筒體或下封頭連接的縱焊縫全部；

（5）下彎管彎頭管段相連接的環縫。

對超聲掃查區域進行100%直探頭掃查，然后利用K1、K1.5 探頭進行兩次重復掃查，必要時還應采用手工串列掃查，以檢出垂直表面的缺陷。

2）堆焊層剝離的超聲檢測

從外壁進行，需要精確定位定量時，應從堆焊層一側采用雙晶直探頭來測定，檢測區域：

（1）上封頭100%檢測；

（2）筒體抽查大于30%區域（應包括部分鐵素體含量超標區）；

（3）下封頭抽查可探測區域。

3）堆焊層層下裂紋的超聲檢測

從外壁進行，需要精確定位定量時，應從堆焊層一側采用雙晶直探頭來測定，檢測區域：

（1）上封頭100%檢測；

（2）筒體抽查大于30%區域（應包括部分鐵素體含量超標區）；

（3）下封頭抽查可探測區域。

采用雙晶直探頭檢測時應在工件表面按90°方向進行兩次掃查。

●3.3.2 磁粉檢測

檢測部位（外部）：

1）筒體環焊縫抽查50%；

2）筒體縱焊縫抽查兩個縱縫全部；

3）人孔與上封頭連接的焊縫全部；

4）接管與筒體或下封頭連接的焊縫全部；

5）下彎管彎頭管段相連接的環縫；

6）下封頭與裙座連接的角焊縫；

7）上封頭兩只吊耳與筒體連接的角焊縫。

●3.3.3 滲透檢測

檢測部位（內部）：

1)上封頭堆焊層區域50%檢測；

2)下封頭堆焊層抽查100%；

3)筒體堆焊層抽查約50%以及鐵素體含量超標局部區域。

4)人孔內壁堆焊層100%；

5)支持圈或凸臺與堆焊層連接的角焊縫。

3.4 硬度測定

硬度測定屬于理化檢驗項目，根據宏觀檢驗及資料返修記錄確定硬度測定部位，對檢驗過程中發現缺陷的部位進行硬度測定，在濕硫化氫應力腐蝕環境中使用的設備和第一道法蘭前的接管應進行硬度檢測抽查。進行硬度測量時，應在同一位置進行3 次測量，當測量值中的某一值與其他值相比存在較大偏差時，應在該位置附近再次測量進行確認，以判斷是測量誤差還是材料本身問題。

3.5 堆焊層鐵素體含量測定

采用便攜式鐵素體儀進行測定，并用圖表記錄堆焊層鐵素體含量測定結果。

檢驗部位：

1）內壁堆焊層有補焊的部位以及過渡段手工堆焊 部位；

2）內壁堆焊層有超標缺陷部位；

3）內壁堆焊層表面出現表面裂紋部位。

4 實際檢驗實例

4.1 檢驗發現缺陷情況

某石化公司開展大檢修，在石腦油加氫-輕烴回收裝置全面檢驗過程中，發現保護反應器（位號190-R102）存在如下缺陷：

超聲波檢測，在球形下封頭與筒體環縫3A 焊縫發現一內部缺陷如圖1 所示，定性為面積型缺陷，A 型超聲顯示為深度55mm，長度65mm，波幅高度SL+23dB；TOFD 檢測顯示深度53mm，長度130mm。在該環縫3A 內部同部位堆焊層表面經滲透檢測發現裂紋一處，位置距卸料口軸線逆時針方向約1930mm，長度30mm；采取打磨措施，打磨1mm、2mm、3mm 深度時，分別做了3 次滲透檢測，發現裂紋未能消除，長度延長為48mm。

圖1 3A 局部放大圖

4.2 缺陷處理措施

針對該壓力容器存在的缺陷，檢驗人員向使用單位出具《特種設備檢驗意見通知書》，建議由原制造單位對堆焊層表面裂紋缺陷分析原因后打磨消除，并視打磨深度確定返修方案。要求原制造單位施工前應當向壓力容器使用登記機關書面告知。并且備齊相關資料向監檢單位辦理申請維修監督檢驗的手續。維修方案須由本單位技術負責人審核批準，并經原設計單位或者具備相應資格的設計單位同意。返修方案應符合產品圖紙的制造技術要求（如：材料、熱處理、無損檢測等），對需要焊接返修的缺陷應分析產生的原因，提出有效預防措施。針對返修部位須編制切實可行的焊接、無損檢測、熱處理工藝，進行焊接工藝評定驗證。

4.3 返修控制要點

●4.3.1 確定缺陷位置并打磨消除

1）對表面裂紋進行打磨，打磨后進行核級PT檢測，按JB/T 4730.5—2005，Ⅰ級合格，徹底消除裂紋。

2）對檢驗發現的內部缺陷進行UT 復查，確定上述打磨是否已經消除同部位內部缺陷。

3）對缺陷部位及附近區域進行UT 測厚，實際厚度小于圖紙要求的最小厚度，需對基層進行補焊。

●4.3.2 修復方法

在消除焊接裂紋后，采用砂輪打磨修復部位，打磨后用光譜分析儀區分出基層和耐腐層。

按JB/T 4730.5—2005 進行PT 檢測，Ⅰ級合格。

●4.3.3 基層修復

1）清理焊接坡口油污，待修復區進行消氫處理，300mm 范圍加熱至300℃保溫1h，待降至100℃時進行補焊。

2）基層補焊采用焊條電弧焊，焊條選用R307C，工藝參數如下：

R307C φ3.2 I=90～120A，U=20～24V，V速≥100mm/min，焊工資格：SMAW-FeII-2G-12-Fef3J。

3）后熱 （250～350）℃×2hr

4）后熱24h 后，對補焊后的基層打磨，打磨光滑后進行PT100%及UT100%檢測，分別按JB/T 4730.5—2005，Ⅰ級合格，JB/T 4730.3—2005，Ⅰ級合格。

●4.3.4 堆焊層修復

1）清理油污，過渡層焊前預熱≥150℃。

2）堆焊層采用焊條電弧焊，工藝參數如下：

過渡層：E309L φ3.2 I=90～120A，U=20～24V， V速≥120mm/min

表 層：E347L φ3.2 I=90～120A，U=20～24V，V速≥120mm/min

過渡層：層間溫度（150～250）℃，

表層：控制層間溫度（5～100）℃

焊工資格：SMAW-FeⅣ-2G-12-Fef4J

3）后熱（300～350）℃×2hr。

4）后熱24h 后，對堆焊層進行PT100%檢測，按JB/T 4730.5—2005 中Ⅰ級合格，UT100%檢測。

●4.3.5 熱處理要求

采用電腦溫控柜控制整個熱處理過程。在下封頭與筒體環縫部位沿筒體圓周覆蓋電加熱片24 片，規格660mm×330mm，加熱寬度660mm，加熱片外包裹保溫棉厚度不小于100mm。下封頭與筒體環縫部位沿筒體圓周均勻布置8 支熱電偶控制溫度（熱電偶布置盡量在補焊部位）。加熱期間，各個開口接管須堵塞嚴實。

5 結束語

以上分析了石腦油加氫保護反應器失效機理，有針對性的確定了檢驗方法和重點部位，提出了缺陷處理的要求和返修的控制要點。通過實際檢驗發現了存在的重大危險缺陷，經各方配合，克服關鍵設備返修技術難題，成功消除缺陷并返修合格，這對于開展大型石化煉油設備堆焊層的定期檢驗工作具有實際的指導意義。

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