典型在役壓力容器的缺陷分析與重大維修

張劉偉 崔金濤(.南京三方化工設備監理有限公司，江蘇 南京 0000；.洛陽卓達石化設備有限公司，河南 洛陽 47000)

0 引言

某廠脫水裝置脫水塔已安全運行8 年，定期檢驗時發現該設備焊縫上多處橫向超標缺陷，埋藏缺陷深度最深達到42.1mm，最長30mm。根據TSG R7001—2013《壓力容器定期檢驗規則》，安全狀況等級評定為5 級。《定檢規》要求：安全狀況等級為5 級的，應當對缺陷進行處理，否則不得繼續使用。為消除隱患，保證設備安全平穩運行，對埋藏缺陷進行了定性，并制定了可行的維修方案。

1 設備概述

1.1 脫水塔主要設計參數

壓力容器類別為II 類。介質：TEG、天然氣；設計壓力9.1MPa，工作壓力8.1MPa；設計溫度：90/160℃；設計制造規范：GB150—1998《鋼制壓力容器》、TSG R0004-1999《壓力容器安全技術監察規程》；規格型號Φ1700×14673mm，上段筒體是58mm 的16MnR 板材，下段筒體是(54+3)mm 的16MnR+316L 復合板。技術要求16MnR 板材化學成分：S≤0.01%。

1.2 脫水塔外形結構

圖1 為脫水塔外形結構圖。

圖1 脫水塔外形結構圖

2 缺陷檢測和分析定性

2.1 缺陷檢測

在役設備定期檢驗時，UT 檢測縱縫發現A3、A4、A5、A6有多處橫向超標缺陷，埋藏缺陷最深達到42.1mm，最長30mm。

2.2 缺陷分析定性

脫水塔返回原制造廠后，對焊縫進行表面檢測，未發現表面裂紋。在設計壓力下進行聲發射檢測，在脫水塔表面布置聲發射傳感器，未發現活動性缺陷。

依據射線檢測確定埋藏缺陷平面投影的位置、大小，依據超聲檢測確定埋藏缺陷的深度和相對位置，根據檢測結果選取焊縫缺陷當量尺寸較大的部位對脫水塔本體縱焊縫A3、A5 取樣，分別為1#試樣和2#試樣。

1#試樣裂紋1～4 以平行于焊道的平面，從外焊縫向內焊縫方向打磨，缺陷見圖2。2#試樣以平行于焊道的平面，從外焊縫向內焊縫方向打磨，缺陷見圖3，其中點缺陷經再次打磨后消失。

圖2 1#試樣

圖3 2#試樣

斷口及能譜分析顯示：裂紋自身高度2～5mm，斷面粗糙，存在金屬小顆粒；掃描電鏡裂紋微觀形貌分析見圖4，啟裂區以浮云狀白點為主，擴展區存在明顯的擴展條紋和魚眼型白點，人為撕裂區以韌窩為主。

圖4 掃描電鏡裂紋微觀形貌分析

1#和2#試樣焊接接頭硬度檢測、化學分析、沖擊性能均符合產品設計要求，焊縫金相組織、非金屬夾雜物正常。綜合對埋藏缺陷的分析，得出結論：焊縫中的缺陷主要為夾渣、氣孔、白點和焊接延遲裂紋。

3 維修方案的制定

3.1 維修范圍

作為對比，脫水塔筒體板材經過100%的超聲波檢測，未發現超標缺陷，缺陷僅存在于焊縫中，維修范圍界定為對筒體縱、環縫焊縫金屬進行整體更換。原制造工藝，下段復合板基層采用埋弧焊絲H10MnSi，焊劑HJ431；標準更新后，按照NB/T 47014—2015《壓力容器焊接規程》編制說明3 提到Q345R 埋弧焊時也可以使用HJ431+H10MnSi，但前提是不進行焊后熱處理。由于本設備需整體消應力熱處理，下段復合鋼基層原采用的是H10MnSi+HJ431，已不適用；重新焊接時，采用現行標準推薦的H10Mn2 焊絲，配合SJ101 焊劑重新焊接。原工藝，上段16MnR采用H09MnSH 焊絲，配合SJ204SH 焊劑焊接，重新焊接時用S、P 含量更低的H09MnSHA 焊絲，配合SJ204SHA 焊劑。

3.2 維修方法

3.2.1 模擬試塊驗證

模擬焊接試件兩件，分別模擬上、下段焊接。采用原焊接工藝焊接、熱處理后，將焊縫金屬清除，按照維修方案制定的新焊接工藝重新焊接，經NB/T 47013—2015 無損檢測合格，并進行焊后消應力熱處理。兩件試件加工后，按照NB/T 47016—2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》進行力學性能試驗，符合設計要求。

3.2.2 尺寸控制

縱焊縫采用碳弧氣刨先從內側清除2/3 的原焊縫金屬厚度，重新焊接完畢后，再從外側清除大于1/3 的原焊縫金屬厚度，再重新焊接。縱縫焊接后，如圓度超標，對筒節進行校圓，然后進行無損檢測。環焊縫若無法解決環焊縫置換后的收縮累積，返修后將降低設備整體高度，無法與現場管線安裝。須全部割開并進行工藝補償方能保證設備總高度。首先對所有環縫進行定位尺寸標記，以便再次組對時保證設備原高度，然后再采用半自動氣割將所有環縫割開，采用大型立車加工雙U 型坡口，防止因焊接應力過大，造成焊接變形。加工坡口時應將原焊縫金屬全部清除，保證坡口加工后，焊縫缺陷全部清除。因焊縫切割勢必會對筒體的長度及寬度造成影響，所以有必要對坡口焊接采用加寬加長處理方法，在環縫鈍邊中間增加墊板，內側焊后從外側清除墊板，從而達到保證焊接質量和設備尺寸的目的。考慮焊后收縮，應先采用兩個無接管的筒節進行組對，再原定位尺寸的基礎上增加3mm 寬度，整條環縫焊后進行原定位尺寸測量，保證焊接收縮后，高度與原定位尺寸一致；若不一致，可以在其他筒節上進行調整。

3.2.3 維修焊接工藝

復合板段坡口加工時，應對復層進行剝邊5～10mm，防止基層焊接時，基層焊縫金屬熔到不銹鋼層。使用5%硝酸酒精溶液腐蝕剝邊部位，以確定不銹鋼層全部剝離干凈。焊前坡口兩側200mm 范圍內刷白堊粉，防止焊接飛濺污染不銹鋼表面。

因設備直徑小，厚度大，焊縫拘束度大，上段和下段復合板基層焊接時，應對焊縫100mm 范圍內進行預熱，預熱溫度200～250℃，層間溫度200～300℃。

環縫應采用整圈預熱，焊后對焊縫進行消氫處理300℃，保溫1h，便于氫原子從焊縫中逸出，防止產生冷裂紋。焊接時，應采用多層多道焊，不僅能便于焊渣和氣孔逸出，還能提高焊縫和熱影響區的沖擊性能。如中間停止焊接，應對已焊接焊縫金屬進行消氫處理，再次焊接時應重新進行預熱。縱縫預熱可采用溫控儀，在焊接側的背面布置加熱帶，在埋弧焊導軌下點焊熱電偶，焊接完畢后可直接進行消氫；因環縫焊接時需要轉動筒體，無法在環縫上布置加熱帶，可采用火焰加熱法，使用紅外測溫儀進行測溫，焊接完畢后，應及時在筒體內部焊縫表面布置加熱帶，并在筒體外側點焊熱電偶后使用保溫棉保溫，進行300℃消氫，保溫1h。具體焊接參數如表1 所示。

3.2.4 無損檢測

焊縫外觀檢查合格后，按照NB/T 47013—2015 進行無損檢測：100% TOFD 平行及非平行方向掃查，Ⅰ級合格；100%RT，技術等級B，Ⅰ級合格；100%UT 檢測，Ⅰ級合格。下段復合板堆焊后的焊縫表面還要進行鐵素體測定，3～10FN 為合格。

3.2.5 熱處理及熱處理后無損檢測、耐壓試驗

設備在燃氣爐內整體熱處理，保溫溫度(620±20)℃，保溫時間不小于2.5h。熱處理完畢對經過返修的所有焊縫進行100%TOFD 平行及非平行方向掃查，Ⅰ級合格。返修部位硬度檢驗，要求≤200HB。按照圖紙要求的試驗壓力11.38MPa 進行水壓試驗。

3.2.6 酸洗鈍化、刷漆

脫水塔耐壓試驗合格后，不銹復合鋼經熱處理部位表面進行酸洗鈍化處理，外表面進行噴砂處理，并按照圖紙要求進行表面刷漆。

表1 焊接工藝

4 結語

按照方案維修后脫水塔，已投入使用5 年，定期檢驗未再發現超標缺陷。在役壓力容器定期檢驗發現超標缺陷，通過缺陷定性分析，按照科學、合理的維修方案進行維修，可以有效消除缺陷，保證設備長周期安全、穩定運行。