芳烴聯合裝置溶劑再生塔再沸器管束修復過程分析

伊春梅，李憲亮，康海燕

山東美陵化工設備股份有限公司 山東淄博 255430

1 序言

某公司芳烴聯合裝置溶劑再生塔的一臺插入式再沸器管束（U形），在運行過程中發生了管頭泄漏事故，由我公司負責對其進行改造修復。經檢查，泄漏點在換熱管內壁熔合線附近，后經水壓試驗發現漏點有二十多個，并且抽出管束后發現滑道出現多處徑向斷裂（見圖1）。

眾所周知，溶劑再生塔操作波動大，設備腐蝕嚴重。經分析得知，腐蝕和振動的聯合作用最終導致了管束的泄漏。因此為了保證該管束的使用年限，滿足用戶的使用要求，必須從耐蝕性及防振兩方面入手，對管束進行修復。管束主要參數見表1。

圖1 滑道斷裂情況

2 修復方案

2.1 更換管板材質

管板原材質為16MnⅢ鍛件堆焊S30403，堆焊層厚度為6mm，現整體更換為S22053Ⅳ鍛件。因為S22053雙相不銹鋼的鉻含量較高，具有較高的耐氯離子應力腐蝕斷裂性能、良好的成形性及焊接性、較好的耐腐蝕性能，所以比較適合用在這種操作條件中。

我們對用于管板的S22053Ⅳ鍛件提出了以下要求：

1）S22053雙相鋼鍛件材料表面質量、力學性能、尺寸的允許偏差、交貨狀態、力學性能和產品標記等應滿足NB/T47010—2010的規定。

2）S22053鍛件級別為Ⅳ級，供貨狀態為固溶狀態，不允許補焊。

3）S22053鍛件化學成分見表2，力學性能見表3。

4）S22053鍛件做夏比V型沖擊試驗，應符合GB/T 229—2007要求，取樣位置在T/2厚度處，試樣軸線為切向，缺口長度方向應垂直于上下表面。

表1 管束主要參數

表2 S22053化學成分（質量分數） （%）

表3 S22053鍛件力學性能

5）S 2 2 0 5 3鍛件逐件取樣，3個全尺寸（10mm×10mm）試樣的-40℃沖擊吸收能量平均值不得低于54J，允許其中一個最低值不低于40J。

6）記錄側向膨脹量和纖維狀斷口百分數供參考。

7）在熱處理后的鍛件上，應取樣進行金相組織切片檢測。同一爐號的材料可用同一試樣。試樣斷面應是平衡結構，無有害的第二相，或在顆粒邊界上無沉積物存在。鐵素體含量為40%~60%，且不允許有σ相、X相等有害相的析出。

8）鍛件坯料在相當于鋼錠的頭部取樣，按ASTME381經酸浸低倍試驗不得有肉眼可見的縮孔、氣泡、裂紋、分層等缺陷。S22053雙相不銹鋼的耐點蝕當量應符合PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%的計算，且不小于35%。

9）按ASTM G36《氯化物應力腐蝕開裂試驗》測定氯化物應力腐蝕。S22053鍛件應按照GB/T 4334—2008標準進行晶間腐蝕試驗。

2.2 材料分析

S32750是一種鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼，它綜合了許多鐵素體和奧氏體鋼的有益性能，由于該鋼Cr、Mo含量都很高，因此具有極好的抗點蝕、縫隙腐蝕和均勻腐蝕的能力，能夠用于非常惡劣的腐蝕環境中。而且這種雙相鋼的力學性能、耐壓強度、沖擊強度也很高，同時具有較低的熱膨脹系數和較高的導熱性。S32750鋼化學成分中還含有約0.3%的N，使其機械強度比標準雙相不銹鋼也高出許多[1]。在非常惡劣的腐蝕環境中，必須使用鎳基合金或鈦等昂貴的金屬材料，而S32750的出現提供了一種相對低廉的選擇。

S32750不銹鋼焊接時，不需要對焊件進行預熱，但應嚴格控制熱輸入量。由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體組織[2]，若熱輸入量過小，熱影響區冷卻速度過快，轉變的奧氏體數量較少，過量的鐵素體就會在室溫下過冷保持下來，降低焊接接頭的韌性和抗腐蝕能力。若熱輸入量過大，焊接時容易引起Cr、Ni、Mo等元素的燒損，冷卻速度太慢，盡管獲得足量的奧氏體，但也會引起熱影響區鐵素體晶粒粗大以及σ相等有害金屬相的析出，造成接頭脆化。因此，無論是對于焊縫還是熱影響區，都希望焊后在高溫區冷卻速度不要過快，以便于鐵素體向奧氏體轉化，同時又希望不能冷卻過慢，以防止有害相的產生。其焊接熱輸入量應控制在2~15kJ/cm。

S32750不銹鋼焊接時，應嚴格控制層間溫度。層間溫度過高會導致焊接過程中熱積累，受熱區域增大，增加熱影響區寬度，使焊縫強度及韌性下降。

為避免上述情況的發生，最佳的措施是控制熱輸入量和層間溫度，并使用填充金屬，這就要求雙相不銹鋼的管頭焊接必須為填絲焊。

2.3 焊接工藝制定

雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫，而在焊縫熱影響區。經過以上對雙相不銹鋼材料的分析及對舊管束金相組織的觀察，焊接工藝控制的重點是焊縫熱影響區。由于該管束的操作工況和運行條件非常惡劣，且考慮到振動、腐蝕等因素的疊加影響，我們對雙相不銹鋼焊接提出了更高的要求，并制定了更為嚴格的工藝程序。

焊接采用鎢極惰性氣體保護焊，起弧前開始送氣，熄弧后繼續送氣至少5s。焊接之前應注意焊接坡口的清理，用丙酮對焊接區域進行擦拭。同時，嚴格控制道間溫度＜100℃， 把整塊管板上的所有管接頭劃分縱橫坐標，精確到每一個管接頭的焊接，工藝人員使用紅外測溫儀現場記錄每一個管接頭的焊后溫度，并在焊接過程中采用左右對稱、上下錯開的焊接操作順序。采用雙層焊道，后續焊道對打底焊道有固溶處理的作用，使奧氏體進一步析出，同時對進一步細化晶粒、減少碳氮化物都是極其有益的。另外，應避免過多的焊絲橫向擺動和過寬的熔池，以避免較高的殘余應力。

S32750不銹鋼焊接材料選擇原則是焊縫中得到合適的奧氏體和鐵素體比例，并得到相應的耐腐蝕性能，因此對于焊縫金屬，為了獲得足夠數量的奧氏體組織，焊接材料的選擇尤為重要。這是因為焊接時采用了與母材化學成分相同的焊接材料，焊后焊縫中鐵素體含量會超過70%，為了在焊后得到相應的奧氏體相比例，需適當提高鎳含量。焊絲采用瑞典Sandvik25.10.4.L（ER2594），焊絲成分見表4，具體焊接參數見表5。

打底焊不應從定位焊起焊。為了避免由于定位焊導致根部焊道出現裂紋，焊工應在定位焊點前中斷打底焊，在完全打磨掉該定位焊點后，繼續根部焊。打底焊完畢后，對所有焊縫表面進行100%PT檢測，按照NB/T47013.5—2015中I級檢測，合格后再進行第二層的焊接。焊接完成后，使用鐵素體儀對焊縫和熱影響區進行跟蹤測量，測量數據見表6。

在定位焊和打底焊時，其背面要被氬氣完全保護起來。在焊縫表面使用99.99%Ar保護焊接的同時，管內也要通入99.99%Ar保護。為此，制作了專門的管內背面氣體保護裝置，打底焊過程中，注意觀察管內熱影響區變化，不得存在熔合線的痕跡。此裝置既能節約保護氣體用量，降低成本，同時實現了其氣體雙面保護。其保護裝置如圖2所示。

表4 ER2594化學成分（質量分數） （%）

表5 焊接參數

表6 鐵素體實測數值（體積分數） （%）

圖2 焊接保護裝置

3 結束語

此管束自交付用戶使用至今，已經安全運行近一年的時間，期間并未出現任何的泄漏問題，成功地為用戶解決了這一工藝難題。用于溶劑再生塔的再沸器管束普遍存在易泄漏、使用周期短、更換頻繁的問題。采取以上措施以后，管束的抗振能力、耐蝕性均得到了加強，延長了管束的使用壽命，有效確保了溶劑再生裝置的穩定運行。這對于以后該類型裝置的設備設計選材、焊接制造等是一個可借鑒的例證。