12Cr2Mo1R鋼制加氫反應器焊接裂紋原因分析及解決措施

徐傳華

摘要：加氫反應器在現場安裝檢驗時，發現外部接管、內部堆焊層表面有焊接裂紋存在。采用宏觀檢查、磁粉檢測、滲透檢測、化學成分分析、金相組織分析、硬度檢測、鐵素體含量測定等方法分析裂紋產生原因。結果表明，外部接管裂紋以焊接冷裂紋為主，局部有再熱裂紋的特征。堆焊層裂紋形狀多為線（條）狀裂紋，部分為網狀裂紋，這些裂紋具有焊接熱裂紋特征。焊接工藝不當是導致裂紋產生的主要原因。通過制定相應解決措施，成功修復了裂紋，并提出加氫反應器制造過程中的預防建議。

關鍵詞：加氫反應器;焊接裂紋;解決措施

中圖分類號：TQ052.5文獻標志碼：B文章編號：1001-2303（2020）03-0065-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.12

0 前言

煤間接液化是原料煤與氧氣、水蒸汽在高溫條件下發生反應的一系列過程，首先將煤全部氣化制得粗煤氣，后經變換、脫硫、脫碳等工序制成潔凈的合成氣（CO和H2混合物），合成氣在費托合成催化劑作用下發生合成反應生成烴類，最后烴類進一步加工可以生產汽油、柴油和LPG等產品。其中，加氫反應器是油品加工裝置中的關鍵設備，目的是脫除油品中存在的氧、硫、氮等雜質，并使烯烴全部飽和、芳烴部分飽和，以提高油品的質量。

加氫反應器在高溫、高壓和臨氫環境下工作，運行工況較為苛刻，因此對加氫反應器本身的質量要求非常高，焊接過程又是加氫反應器制造中最重要的工序，雖然經過多年的研究，我國逐漸系統的掌握了相關設計和制造技術[1-7]，但是一旦疏于質量控制，便會影響反應器制造質量，給后期安全運營帶來很嚴重的安全隱患。

某煤炭間接液化項目中的一臺加氫反應器于2015年3月制造完成。現場在對反應器接管焊縫外表面做磁粉檢測時，發現有弧長約38 mm的表面裂紋。在安裝塔盤內件時，發現內部環焊縫堆焊層存在大量表面裂紋。本文分析了裂紋產生的原因，制定詳盡的修復方案并實施，取得良好的效果，目前設備運行正常。

1 加氫反應器簡介

某單位制造的加氫反應器，其主體材質為12Cr2Mo1R+TP.309L+TP.347L，內徑為4 400 mm，筒體（基層+堆焊層）厚度為（134 min.+6.5） mm，封頭（基層+堆焊層）厚度為（76 min.+6.5） mm，高度為24 433 mm，設計使用年限為30年，其技術參數如表1所示。

12Cr2Mo1R的化學成分、力學性能要求和復驗結果如表2、表3所示。

設備基層焊縫所用焊絲牌號為OE CROMO S225，焊劑牌號為OP CROMO F537，焊條為CROMO E225;過渡層焊縫所用焊絲牌號SOUDOTAPE 309L，焊劑牌號為RECORD INT109，焊條為E24.13.LR;面層焊縫所用焊絲牌號SOUDOTAPE 347，焊劑牌號為RECORD EST129，焊條為E19.9.NbR。生產廠家均為AIR LIQUIDE WELDING FRANCE。

2 加氫反應器外部接管裂紋分析[8-10]

在進行對接管外焊縫磁粉抽檢時，發現接管N2-1焊縫存在6條表面裂紋，裂紋最長為38 mm，最深為5 mm，其宏觀形貌如圖1a、1b所示，微觀金相照片如圖1c、1d所示。可以看出，其中5條裂紋方向與接管焊接方向基本平行，1條裂紋與接管焊接方向垂直，同時在裂紋附近還存在凹坑和氣孔等缺陷。

通過金相分析顯示，裂紋呈穿晶、沿晶等特征，金相組織未見異常，母材、焊縫和熱影響區均為貝氏體。該裂紋以焊接冷裂紋為主（見圖1c），局部有再熱裂紋的特征（見圖1d）。N2-1接管母材和焊縫的化學成分分析如表4所示，結果符合技術條件要求[11]。

測定裂紋附近硬度，硬度值為170～210 HB，符合技術條件要求（≤225 HB）。在修復過程中發現裂紋處存在明顯的氣孔和夾雜物，根據缺陷分布位置和深度分析為接管與殼體組焊的臨時定位拉筋焊接部位，裂紋可能屬于拉筋焊接或拉筋去除后補焊未按照焊接工藝進行，焊前預熱、焊后消氫不到位造成的延遲裂紋。

對發現的夾雜物和氣孔附近進行硬度測定，發現硬度值為240～280 HB，屬于夾雜物中C與合金元素形成高碳化合物所致。由于裂紋處殘余應力較高，受殘余應力作用，容易產生沿晶開裂的表面裂紋，有再熱裂紋的特征。

3 加氫反應器內部堆焊層裂紋分析[12-14]

對加氫反應器堆焊層進行滲透檢測，在筒節對接環焊縫以及環縫相鄰的焊帶上總計發現136處Ⅳ級超標缺陷，缺陷性質為裂紋。最長為260 mm，最深達到5～6 mm，裂紋形狀多為線（條）狀裂紋，部分為網狀裂紋，部分典型宏觀形貌如圖2所示。

通過X射線熒光光譜分析儀對裂紋表面和深度約4 mm處進行化學成分檢測，得出裂紋處面層和過渡層的化學成分，其結果如表5所示。

由表5可知，反應器堆焊層面層E347L、過渡層E309L的化學成分均能滿足GB/T983-2012《不銹鋼焊條》[15]中對E347L、E309L的要求。

在室溫下，對裂紋處進行鐵素體含量測定，測定結果如表6所示，堆焊層鐵素體數為0.7～2.8 FN，不符合技術條件要求（3～10 FN）。對裂紋附近進行硬度測定，硬度值為135～212 HB，滿足技術條件要求（≤225 HB）。對裂紋進行金相分析，組織全部為奧氏體+δ鐵素體，組織正常，裂紋形態為枝晶間沿晶裂紋，奧氏體晶粒基本為邊緣鈍化、圓形，無明顯的定向凝固粗大的一次、二次枝晶。

純奧氏體不銹鋼在焊接時會產生熱裂紋，但焊縫金屬中含有的少量鐵素體會在焊縫中形成δ鐵素體+奧氏體兩相組織，從而降低焊接熱裂紋傾向，提高焊縫的抗開裂性能。根據文獻和技術要求[16]，堆焊層鐵素體數為3～10 FN。從表6可知，堆焊層鐵素體數為0.7～2.8 FN，結合金相組織得出，鐵素體含量的降低可能是δ鐵素體在包晶轉變和隨后的高溫δ→γ相的轉變過程中消耗。也就是說焊縫在成形過程中，焊接線能量大，焊縫溫度過高，高溫停留時間過長，而冷卻速度較慢導致鐵素體含量降低，進而產生了焊接熱裂紋。

4 加氫反應器裂紋修復

4.1 接管裂紋的修復措施

（1）對裂紋深度≤2 mm處進行修磨處理。使用砂輪機打磨裂紋表面，打磨斜度最大為1∶3，對打磨后的位置進行100%磁粉檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格，確認無缺陷。

（2）對裂紋深度>2 mm處進行補焊處理。

a. 補焊前將補焊位置及其周圍200 mm范圍內的雜物清理干凈。

b. 焊前將補焊部位及其周圍200 mm范圍內均勻預熱到200 ℃，采用電加熱方式從設備外側進行預熱。

c. 按照焊接工藝（見表7）進行補焊，焊接過程中保持層間溫度為200～280 ℃，焊后立即進行300～350 ℃/1 h消氫處理。對補焊焊縫進行修磨處理，并打磨至母材平滑過渡。

d. 焊后24 h后對補焊部位及周圍50 mm范圍進行100%磁粉檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格。檢測合格后對補焊部位進行局部熱處理，熱處理按表8進行，采用電加熱裝置，加熱帶采用環向布置，局部熱處理的每一部位至少設1個熱電偶，記錄實際熱處理曲線，以便現場檢查熱處理效果。

e. 熱處理完成后，對補焊部位及其100 mm范圍內進行100%磁粉檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格，并進行硬度檢測（225 HB）。

4.2 堆焊層裂紋的修復措施

（1）裂紋在面層的修復措施。

a. 用非鐵基的砂輪片打磨裂紋位置，打磨形狀規則且方便補焊。對打磨表面進行100%滲透檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格，確保缺陷全部消除，對打磨面化學成分進行光譜分析，符合面層材質要求。

b. 補焊工藝如表9所示，焊接時采用小電流快速焊并及時監控和跟蹤，最高道間溫度150 ℃，焊接過程中防止焊接線能量的過量輸入，避免焊接熱裂紋的發生。對補焊焊縫進行修磨處理。

c. 對補焊表面進行100% 滲透檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格，并進行化學成分分析和鐵素體數測定，結果必須符合技術要求。

（2）裂紋在過渡層修復措施。

a. 對裂紋位置打磨處理后，進行100%滲透檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格，確保缺陷已完全消除。對打磨部分化學成分進行光譜分析，符合過渡層材質要求。

b. 焊接工藝按照表9進行過渡層補焊，僅焊接一層，小電流快速焊，最高道間溫度200 ℃。焊后進行100% 滲透檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格。

c. 焊后熱處理。熱處理按照表8進行，采用電加熱裝置，加熱帶采用環向布置，局部熱處理的每一部位至少設1個熱電偶，記錄實際熱處理曲線，以便現場檢查熱處理效果。

d. 按照焊接工藝（見表9）進行面層堆焊，焊接完成后進行100% 滲透檢測，NB/T47013-2015Ⅰ級合格，并進行化學成分分析和鐵素體數測定，結果必須符合技術要求。

5 結論

（1）對該加氫反應器裂紋部位進行修復后，裝置順利開車。焊縫裂紋產生原因主要是焊接工藝不當。總體來說，壓力容器制造過程中焊接質量的控制起著關鍵作用，加強焊接工藝的過程控制以及完善焊接監督檢查制度尤其重要。

（2）建議加氫反應器在制造過程中加強接管的焊接質量控制，焊前精心準備，焊中精細控制，焊后加大檢測。

（3）建議加強堆焊層的焊接質量控制，嚴格按焊接工藝評定要求進行施焊，制定完備的焊接檢驗措施。

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