加氫裂化裝置TP347管道焊縫裂紋成因分析及返修措施

江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 泰州 225300

1 管道概況

泰州某石化公司于2020年3—4月期間停機大修，并進行特種設備首次定期檢驗。在對加氫裂化裝置中某TP347奧氏體不銹鋼管道進行無損檢測時發現某焊縫存在裂紋缺陷。管道材質為TP347，公稱直徑為DN500，公稱壁厚為50.01mm，實測壁厚為60mm；彎頭材質為WP347，公稱直徑為DN500，公稱壁厚為50.01mm，實測壁厚為52.8～55.4mm。介質為油、氫氣、H2S、氨，操作溫度為405℃，操作壓力為15MPa。

2 檢測方法

2.1 滲透檢測+超聲檢測

在對該TP347奧氏體不銹鋼管道進行滲透檢測時發現某焊縫存在表面裂紋缺陷（見圖1），隨后進行了100%滲透檢測+超聲檢測進行復驗，對存在的缺陷進行驗證確認。

圖1 滲透檢測發現的缺陷

2.2 相控陣檢測

為了進一步了解缺陷情況，委托第三方檢測機構對該缺陷焊縫進行了相控陣檢測。鑒于相控陣檢測技術還沒有制定國家標準，因此此次檢測數據（見表1）、檢測結果（見圖2、圖3）僅作為評估缺陷的參考建議，不作為最終檢測結論判定依據。

圖2 相控陣檢測結果（F1）

圖3 相控陣檢測結果（F2、F3、F4）

表1 相控陣檢測數據

2.3 硬度檢測

對該缺陷焊縫及相鄰母材部位進行了里氏硬度檢測，借助里氏硬度檢測結果（見表2），判斷焊縫中是否存在δ相與475℃脆性相。

表2 里氏硬度檢測結果

2.4 鐵素體含量分析+金相分析

為了進一步查清裂紋形態及成因，還進行了鐵素體含量分析（見圖4）和金相分析（見圖5），從圖5中可以看出，魚骨狀奧氏體基沿晶開裂。這一現象說明在焊后熱處理過程中，應力松弛時發生塑性變形，鐵素體組織在熱處理過程中發生組織轉變或有碳化物析出，弱化晶界，局部不能滿足變形從而產生裂紋。

圖4 鐵素體含量分析（單位：%）

圖5 金相分析結果

3 缺陷成因分析

根據環焊縫的制造工藝和裂紋的形貌特征，確定TP347不銹鋼管道環焊縫開裂是再熱裂紋。TP347不銹鋼厚壁大口徑管環焊縫焊后在穩定化處理(900±10)℃中發生NbC的析出或生產高Nb的金屬化合物（如σ相），使奧氏體和鐵素體晶界因NbC的析出或在鐵素體基體上形成金屬化合物而脆化，在應力松弛晶格滑移時產生空穴，然后空穴長大，聚合而成裂紋。

4 返修措施

此次返修嚴格遵照特種設備相關標準、安全技術規范執行，并對一些關鍵措施進行了多次磋商：（1）為防止在打磨、切割或焊接中有外部應力影響，利用彈簧支吊架、支撐或加固等形式，在返修焊縫兩端對管道進行固定；（2）為避免裂紋擴散，先用不銹鋼專用磨頭在裂紋兩端，垂直裂紋方向打上止擴線，防止裂紋延伸；（3）在打磨焊縫前，按要求加好盲板，對焊口進行消氫，消氫溫度為350℃，恒溫時間為6h；（4）每打磨、車加工一層，進行一次滲透檢測，直至裂紋消除；（5）焊接返修采用小線能量、短電弧，引弧、收弧必須在坡口內，不擺動或小幅高頻擺動，擺動時擺動幅度應不大于10mm；（6）分層多道焊，每一焊道完成后均應消除焊道表面的熔渣，每一層焊接完成后，待溫度降到60℃或以下，并經滲透檢測合格，再進行下一層的焊接；（7）焊后再進行一次滲透檢測、超聲檢測，Ⅰ級合格；（8）所有返修部位均應進行表面硬度檢測；（9）委托有資質單位重新進行高壓管道應力柔性分析。

5 結束語

通過對該加氫裂化裝置TP347材質奧氏體不銹鋼管道焊縫出現裂紋原因的分析，最終一致認為該TP347奧氏體不銹鋼管道在安裝后的焊道穩定化熱處理過程中，未對法蘭口進行保溫棉包覆，內部未用保溫棉塞住，造成加熱過程中，因焊縫內外、法蘭側溫度差梯度大，焊縫加熱不均勻而導致內部應力。結合國內部分加氫裂化裝置TP347奧氏體不銹鋼管道工程幾個檢驗周期的應用實際和對比試驗，不進行焊后穩定化熱處理的試件的各項力學性能、抗晶間腐蝕性能均滿足要求。因此，該石化公司召集相關單位及業內專家進行充分論證，最終免除了TP347奧氏體不銹鋼管道有缺陷焊縫返修后的焊后熱處理。