接觸冷卻塔復(fù)合板焊縫裂紋原因分析

段占立，張述旺

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

化工設(shè)備可以說是石油石化生產(chǎn)中最為核心的要素所在，其安全性的要求必須放在首要位置，同時為確保全周期內(nèi)運行的安全性要求，必須保障自身具備可靠制造質(zhì)量。接觸冷卻塔是煉化裝置延遲焦化的重要設(shè)備，塔體長時間處于210～425℃冷熱交互疲勞作用下運行,塔體易受高溫蠕變低周熱疲勞、大幅度溫差熱應(yīng)力等因素的影響。

接觸冷卻塔設(shè)計溫度為塔頂210℃/塔底450℃；設(shè)計壓力為0.55 MPa；操作介質(zhì)為油氣、蒸汽、渣油和水；規(guī)格直徑4 m，筒體高30 m，由上下兩個罐體組成，下罐外部附加熱盤管；主體材料均采用復(fù)合板(Q245R+06Cr19Ni10)，δ=16+3。塔體焊接基層焊接材料：E4315焊條，復(fù)層焊接材料：E308-16焊條。塔體部分焊接的坡口型式見圖1所示；耐蝕層堆焊型式見圖2所示。

圖1 焊接的坡口型式示意

圖2 耐蝕層堆焊型式示意

塔體在制造廠完成焊接工作后，出廠前按照設(shè)計文件及規(guī)范要求，對筒體、封頭及其相連的焊接接頭進行射線(RT)無損檢測，III級合格；對復(fù)層焊縫進行了滲透(PT)無損檢測,I級合格；未發(fā)現(xiàn)缺陷。目前設(shè)備已運行3年零8個月，停用6年零8個月；檢修檢測發(fā)現(xiàn)上罐內(nèi)壁上封頭拼縫、母材及其與筒體連接縱向、橫向焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)多處裂紋，其中最大長度約為200 mm；下罐內(nèi)壁上封頭拼縫、母材及其與筒體連接縱向、橫向焊縫及兩側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)多處裂紋、孔洞，其中最大長度約為80 mm，孔洞直徑約為3 mm；共計61處缺陷。

1 現(xiàn)場檢測分析

1.1 母材(基層+復(fù)層)和焊材的化學(xué)成分

為了對現(xiàn)場焊縫裂紋產(chǎn)生的原因及機理進行分析，便于制定相應(yīng)的補救措施，現(xiàn)場檢測公司、項目組等對材料成分、裂紋形貌等進行了記錄分析，結(jié)果見表1。

表1 母材(基層+復(fù)層)和焊材的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

注：表中的單一數(shù)值為其成分含量最大值。

1.2 焊縫、熱影響區(qū)裂紋形貌

對塔體的上、下罐體封頭、筒體、母材及熱影響區(qū)的正常位置焊縫進行了無損檢測，采用5～10倍放大鏡，發(fā)現(xiàn)了橫向、縱向不等長度裂紋、氣孔缺陷，如圖3～9所示。

圖3 環(huán)縫上裂紋形貌(上罐)

圖4 拼縫上裂紋形貌(上罐)

圖5 封頭母材上裂紋形貌(上罐)

圖6 環(huán)縫上縱向裂紋形貌(下罐)

圖7 拼縫上橫向裂紋形貌(下罐)

圖8 筒節(jié)縱縫上孔洞(下罐)

圖9 環(huán)縫、熱影響區(qū)上裂紋形貌(下罐)

2 缺陷原因分析

由于現(xiàn)場條件受限，對焊縫僅僅進行了無損檢測，若深入對缺陷機理研究分析，易對設(shè)備產(chǎn)品試板取樣，結(jié)合大倍數(shù)金相分析。從目前焊縫缺陷分析，裂紋主要分布在焊縫上、熱影響區(qū)上及母材局部；現(xiàn)從設(shè)計選材、制造廠焊接組裝等方面影響因素，同時參照相關(guān)規(guī)范標準[1]對其缺陷進行如下分析。

2.1 設(shè)計選材分析

對于高硫原油加工裝置中的設(shè)備選材，應(yīng)參考規(guī)范GB713、SH3096中要求，同時著重考慮裝置系統(tǒng)中介質(zhì)組分比例。接觸冷卻塔作為延遲焦化裝置中重要設(shè)備，其選材應(yīng)充分考慮經(jīng)濟合理、大型化及抗低頻疲勞破壞等，優(yōu)選復(fù)合鋼板(如碳鋼和06Cr13)。

查閱原設(shè)計文件和特檢院首次安全評定報告顯示，塔器選取碳鋼和06Cr19Ni10復(fù)合鋼板作為其主要材質(zhì)。06Cr19Ni10是奧氏體不銹鋼中用途最廣泛的不銹鋼，其室溫下的強度較低，晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕傾向較大。結(jié)合貧鉻理論分析，奧氏體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕主要是由于材質(zhì)成分中晶界貧鉻因素導(dǎo)致的；設(shè)備運行中操作溫度(210～450℃)迅速升溫、保溫進而冷卻過程中，且處于不銹鋼敏化溫度區(qū)；碳先以過飽和的形式固溶，再以碳化物的形式沉淀析出，造成材質(zhì)晶界周圍鉻元素減少，引起貧鉻現(xiàn)象；焊縫及熱影響區(qū)碳化物沿著晶界向內(nèi)擴展延伸，伴隨著晶粒不斷長大，導(dǎo)致材質(zhì)本身延展性、韌塑性等機械性能降低，同時在長周期運行過程中低頻疲勞不斷作用下，致使焊縫及附近區(qū)橫向、縱向裂紋形成。

2.2 制造焊接過程分析

塔器組裝過程主要焊接過程，對于復(fù)合材料焊接，焊材的選擇最好與母材成分、性能等相近。本設(shè)備主體材料采用復(fù)合板，基層焊接材料：E4315焊條，復(fù)層焊接材料：E308-16焊條，過渡層焊接材料：E309-16焊條。與基層碳鋼材料相比，奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)[2](17.1～18)×10-6/℃較大,且導(dǎo)熱系數(shù)較小。設(shè)備正常運行期間，升溫、降溫不斷循環(huán)作用下，焊縫接頭處易產(chǎn)生較大焊接應(yīng)力，且高溫時焊材E308-16易稀釋形成其他晶格不銹鋼，都是導(dǎo)致裂紋形成主要誘因。為提高設(shè)備的抗晶間腐蝕能力，通常奧氏體不銹鋼焊材的含碳量都不應(yīng)大于0.10%，且宜選取含有一定量Mo等合金元素，以便降低材料內(nèi)碳固溶量，降低臨界冷卻速度，阻止碳化鉻的形成，如E309MoL-16等。

3 結(jié)語

(1)對于延遲焦化裝置中復(fù)合板設(shè)備，尤其長周期運行的主要設(shè)備，易選用含有Ti、Nb、Cr等合金元素或鐵素體抗晶間腐蝕的鋼材，接觸冷卻塔復(fù)層材質(zhì)應(yīng)選取06Cr13或06Cr19Ni10Ti等。

(2)制造焊接過程中，應(yīng)綜合考慮流程中介質(zhì)組分、溫度及焊接參數(shù)、焊材的選取，嚴格合理地控制焊接質(zhì)量，有效防止焊接應(yīng)力集中，規(guī)避敏化溫度區(qū)間，減少碳化物的沉淀析出。

(3)通過上述對設(shè)備定期檢驗中發(fā)現(xiàn)裂紋原因分析，按照《檢規(guī)》中壓力容器安全狀況等級評定原則[3]，基于安全考慮，容器的安全等級(III級)應(yīng)下調(diào)或更換新設(shè)備。