論加氫反應器筒體縱縫缺陷的修復及工藝優化

董 洋*

（錦西化工機械集團有限公司）

0 引言

加氫反應器是煉油、化工行業加氫裂化裝置中的關鍵設備，其通常在高溫、高壓、臨氫條件下工作，使用條件較為惡劣。近年來，隨著設備不斷大型化發展，反應器的內部構件形式也隨著主體設備增大而不斷改進。反應器的內件支撐一般是指支撐各種分配盤的支持圈和支撐催化劑格柵的凸臺，無論支持圈還是凸臺都是容器本體的突變結構，又承受了質量載荷，所以支撐圈是應力集中的高應力區，比較容易產生應力腐蝕、裂紋等各種形式的損傷，所以支撐結構的形式及制造方法至關重要。現以堆焊凸臺結構為例，介紹該種結構在制造過程中出現的問題，及處理問題所用的方法，并優化了工藝方案。

1 設備結構特點

某石化企業的某加氫反應器尺寸為 1 600 mm×（54+6.5）mm×23 063 mm，筒體和封頭材料為12Cr2Mo1R堆焊及（E309L+E347）雙層堆焊。其中，兩個支撐催化劑格柵的凸臺為堆焊結構，其結構如圖1所示。

圖1 堆焊結構凸臺（單位：mm）

2 缺陷狀態

在設備制造過程中，其中一節筒體在凸臺堆焊及熱處理后，筒體內壁焊縫被檢測出具有裂紋。該設備的生產過程為：筒體冷滾→焊接→消氫→校圓→中間消除應力熱處理→無損檢測。其中檢測結果均合格，然后進行凸臺堆焊工作，堆焊后對堆焊處進行100%超聲（UT）檢測，檢測發現凸臺堆焊與筒體結合面處存在裂紋的可能，從而對整條縱焊縫進行100%UT+100%滲透（PT）檢測，檢測發現筒體內表面的焊縫存在裂紋，裂紋深度為8 mm左右，并有向該筒節兩端擴展的趨勢。

3 原因分析

相關人員對設備的制造過程及缺陷產生的原因進行了詳細的分析，經研討確定其主要誘因為：凸臺堆焊時的焊接應力較大，筒體的壁厚較小，堆焊環受到較大的堆焊應力作用，導致筒體內徑收縮；且筒體應力消除時焊縫中的焊接殘余應力并沒有完全消除，應力疊加導致焊接處應力較大，使凸臺與筒體堆焊結合處產生裂紋，并沿著焊縫向筒體兩端擴展。

4 返修方案

4.1 裂紋清除

裂紋清除工作從結構上可分為兩個部分，一部分是凸臺沒有覆蓋的部分，另一部分為凸臺覆蓋的部分。前者相對比較好處理，可采用砂輪修磨去除裂紋；后者因凸臺覆蓋結構較復雜，給返修工作帶來較大難度。如果將凸臺從筒體內部斷開再進行修復，斷開的凸臺可能會釋放較大的應力，堆焊則會導致筒體內徑變小，從而使筒體帶有“趨圓”應力，可能導致裂紋進一步擴展，且凸臺斷開與修復工作的加工難度較大。因此選擇從筒體外表面加工的方法對凸臺覆蓋處的裂紋進行返修，方案如下：

（1）首先對焊縫進行100%UT+100%PT檢測，確定裂紋位置、長度及深度，并做好標記。經檢測，裂紋深度為8 mm左右。

（2）為了防止裂紋繼續擴展，在裂紋兩端打止裂孔，然后采用砂輪修磨的方式清除裂紋，如圖2所示。對修磨處進行100%PT檢測，確認裂紋是否清除完全，直到確認裂紋被清除干凈為止, 打磨部位應與周圍金屬平緩過渡，這有利于后續的焊接操作。

圖2 砂輪修磨清除裂紋

（3）對于被凸臺覆蓋處的縱向接頭處缺陷，可將缺陷位置標記到筒體外壁處，然后從筒體外側用鏜床加工與砂輪修磨相結合的方式清除裂紋，加工尺寸長為180 mm，寬為35 mm，修磨后進行100% PT檢測,直到裂紋清除干凈為止, 打磨部位應與周圍金屬平緩過渡，如圖3所示。

圖3 鏜床加工與砂輪修磨清除裂紋

4.2 缺陷修復

（1）焊接時應在筒體內表面加襯墊，詳見圖4。襯墊材質為12Cr2Mo1R，厚度為8 mm。先從外側焊接焊第1～12層，厚度應達到24～26 mm，之后用砂輪修磨將內側襯墊全部清除，再焊接內側13～17層，焊接厚度達到加工要求后，再焊接外側18～31層。

圖4 筒體表面襯墊（單位：mm）

（2）焊接規范詳

焊接規范詳見表1。

表1 焊接規范

（3）補焊要點

a）焊前認真清理焊接部位及其附近的雜質。

b）焊條按使用說明書進行烘干，放在保溫筒中，隨用隨取。

c）焊前將補焊部位及兩側至少100 mm范圍均勻預熱至200 ℃, 道間溫度控制在200～280 ℃。焊接時采用較小的線能量及較小電流。每層施焊厚度不得超過2 mm，道間應錘擊消除應力。

d）道間應認真清理熔渣，確認無缺陷后再焊下一焊道。

e）焊后立即進行中間消除應力熱處理。

f）焊后對凸臺進行加工及修磨，進行外觀檢查。

（4）無損檢測

補焊后至少24 h，縱焊縫進行100%RT+100%UT+100%磁粉（MT）檢測，檢測結果均合格。

5 工藝優化

綜上所述，為了避免類似問題重復出現，制定了更為合理的工藝路線。

（1）筒體的下料長為5 770 mm，其中含兩端的預彎量為250 mm,號料時劃出50 mm線，板料對角線差應小于2 mm。

（2）對筒體進行打頭，按 R808.5 mm（內半徑）進行預彎,并用樣板檢查,然后切割預彎量，切割預彎量及坡口前應預熱，采用砂輪修磨氣割坡口表面，修磨掉淬硬層，測量硬度值HB≤225，坡口表面按JB/T 4730.4—2016《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》的I級要求進行100%MT檢測。

（3）筒體冷滾成型。

（4）尺寸檢查

a）滾制后對筒節內外表面進行檢查，不得存在凹坑及裂紋；

b）筒體的內圓圓周長及公差為5 080 mm，公差為0～6 mm；

c）端口錯邊小于2 mm；

d）對口錯邊小于2.4 mm；棱角度小于5 mm,

e）同一斷面的最大最小直徑差小于5 mm；

f）成形后的最小厚度為54 mm。

（5）檢測合格后進行筒體縱焊縫焊接，焊接前要預熱，焊后進行消氫處理，并入爐進行ISR，如能立即入爐進行ISR，則可免做消氫處理。將焊縫內表面磨平，焊完24 h后對筒體縱焊縫進行100%RT檢測，II級為合格；再對焊縫進行100%UT檢測，按I級為合格；焊縫表面進行100%MT檢測， I級為合格。

（6）凸臺堆焊

a）對筒體內表面除銹并進行100%MT檢測，Ⅰ級為合格，并待堆焊凸臺部位上下各200 mm范圍內進行100%UT檢測，Ⅰ級為合格。

b）堆焊采用手工電弧焊與埋弧自動焊相結合的方式，前兩層用小電流手工電弧焊，防止大電流輸出導致應力過大而凸臺開裂，當凸臺基層堆焊高度為35～40 mm時進行ISR,全部堆焊完成后再進行ISR。

c）對堆焊完的凸臺進行機加工，并進行100%UT檢測和100%MT檢測,Ⅰ級為合格。

d）堆焊凸臺過渡層，機加工后再堆焊面層（除凸臺上表面R處）及筒體兩端坡口。

e）對機加工后的凸臺進行100%UT，100%無損（PT）檢測，鐵素體測量值要求為3%～10%。

（7）筒體內表面堆焊的方法不再詳細介紹。

6 結論

采用以上返修方案對該加氫反應器進行返修，并在設備進行最終熱處理后，重點檢查返修部位，檢測結果均合格，用優化后的工藝方案制造另一節筒體及其他類似設備，效果良好，設備均未發生類似問題，且設備運抵現場后，安裝、運行情況良好。