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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)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(jī)大修，并進(jìn)行特種設(shè)備首次定期檢驗(yàn)。在對加氫裂化裝置中某TP347奧氏體不銹鋼管道進(jìn)行無損檢測時發(fā)現(xiàn)某焊縫存在裂紋缺陷。管道材質(zhì)為TP347，公稱直徑為DN500，公稱壁厚為50.01mm，實(shí)測壁厚為60mm；彎頭材質(zhì)為WP347，公稱直徑為DN500，公稱壁厚為50.01mm，實(shí)測壁厚為52.8～55.4mm。介質(zhì)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(jìn)行滲透檢測時發(fā)現(xiàn)某焊縫存在表面裂紋缺陷（見圖1），隨后進(jìn)行了100%滲透檢測+超聲檢測進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，對存在的缺陷進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

圖1 滲透檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷

2.2 相控陣檢測

為了進(jìn)一步了解缺陷情況，委托第三方檢測機(jī)構(gòu)對該缺陷焊縫進(jìn)行了相控陣檢測。鑒于相控陣檢測技術(shù)還沒有制定國家標(biāo)準(zhǔn)，因此此次檢測數(shù)據(jù)（見表1）、檢測結(jié)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(jié)論判定依據(jù)。

圖2 相控陣檢測結(jié)果（F1）

圖3 相控陣檢測結(jié)果（F2、F3、F4）

表1 相控陣檢測數(shù)據(jù)

2.3 硬度檢測

對該缺陷焊縫及相鄰母材部位進(jìn)行了里氏硬度檢測，借助里氏硬度檢測結(jié)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(jié)果

2.4 鐵素體含量分析+金相分析

為了進(jìn)一步查清裂紋形態(tài)及成因，還進(jìn)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(xiàn)象說明在焊后熱處理過程中，應(yīng)力松弛時發(fā)生塑性變形，鐵素體組織在熱處理過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變或有碳化物析出，弱化晶界，局部不能滿足變形從而產(chǎn)生裂紋。

圖4 鐵素體含量分析（單位：%）

圖5 金相分析結(jié)果

3 缺陷成因分析

根據(jù)環(huán)焊縫的制造工藝和裂紋的形貌特征，確定TP347不銹鋼管道環(huán)焊縫開裂是再熱裂紋。TP347不銹鋼厚壁大口徑管環(huán)焊縫焊后在穩(wěn)定化處理(900±10)℃中發(fā)生NbC的析出或生產(chǎn)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(yīng)力松弛晶格滑移時產(chǎn)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(yán)格遵照特種設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、安全技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，并對一些關(guān)鍵措施進(jìn)行了多次磋商：（1）為防止在打磨、切割或焊接中有外部應(yīng)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(jìn)行固定；（2）為避免裂紋擴(kuò)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(nèi)，不擺動或小幅高頻擺動，擺動時擺動幅度應(yīng)不大于10mm；（6）分層多道焊，每一焊道完成后均應(yīng)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(jīng)滲透檢測合格，再進(jìn)行下一層的焊接；（7）焊后再進(jìn)行一次滲透檢測、超聲檢測，Ⅰ級合格；（8）所有返修部位均應(yīng)進(jìn)行表面硬度檢測；（9）委托有資質(zhì)單位重新進(jìn)行高壓管道應(yīng)力柔性分析。

5 結(jié)束語

通過對該加氫裂化裝置TP347材質(zhì)奧氏體不銹鋼管道焊縫出現(xiàn)裂紋原因的分析，最終一致認(rèn)為該TP347奧氏體不銹鋼管道在安裝后的焊道穩(wěn)定化熱處理過程中，未對法蘭口進(jìn)行保溫棉包覆，內(nèi)部未用保溫棉塞住，造成加熱過程中，因焊縫內(nèi)外、法蘭側(cè)溫度差梯度大，焊縫加熱不均勻而導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力。結(jié)合國內(nèi)部分加氫裂化裝置TP347奧氏體不銹鋼管道工程幾個檢驗(yàn)周期的應(yīng)用實(shí)際和對比試驗(yàn)，不進(jìn)行焊后穩(wěn)定化熱處理的試件的各項(xiàng)力學(xué)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(guān)單位及業(yè)內(nèi)專家進(jìn)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。