轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器缺陷分析與修復(fù)

尹志剛

中國石油化工股份有限公司北京燕山分公司 北京 102500

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器是制氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一。新疆塔河項(xiàng)目聯(lián)合制氫裝置的轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器原設(shè)計(jì)中管箱部分沒有設(shè)置外保溫，但施工中管箱位置錯誤地增加了外保溫，致使設(shè)備正常運(yùn)行數(shù)小時后，管箱15CrMoR 筒體由冷壁變成熱壁，筒體外側(cè)最高溫度達(dá)到700℃以上（管箱內(nèi)介質(zhì)溫度為830℃）。在內(nèi)壓力作用下，管箱15CrMoR 筒體鼓包并發(fā)生裂紋。

1 設(shè)備簡介

轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的管箱主體材料為15CrMoR。轉(zhuǎn)化氣入口處采用UNS NO 8811 材料做過渡段，與管箱15CrMoR 筒體焊接。轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器屬于三類設(shè)備，管程和殼程的工作介質(zhì)分別為轉(zhuǎn)化氣和水、蒸汽；設(shè)計(jì)壓力分別為3.08MPa 和4.8MPa；設(shè)計(jì)溫度分別為300℃和262℃。管箱修復(fù)部分簡圖見圖1。

圖1 管箱修復(fù)部分簡圖

2 修復(fù)方案

（1）根據(jù)損傷情況，保留件號2- 0 和件號6，將發(fā)生鼓包裂紋部分的筒體件號12 割下，并按原圖尺寸重新制作件號12 的筒體。

（2）由于件號2- 0 及件號6 也可能發(fā)生損傷及變形, 故應(yīng)對它們的表面質(zhì)量進(jìn)行檢查, 并對內(nèi)外表面做PT 或MT 檢測，測量厚度，要求實(shí)際厚度等于或大于計(jì)算厚度+ 腐蝕裕量。

（3）檢查件號2- 0、件號6 和件號3- 0 的人孔內(nèi)壁的金相組織有無改變。

（4）如件號2- 0 和件號6 外形發(fā)生改變，應(yīng)矯正使之與圖紙尺寸盡量一致。

（5）在割除的件號12 筒體靠近與件號6 相接的端部上，分別取橫向及縱向試樣做力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行評定，各項(xiàng)指標(biāo)要求達(dá)到表1 的規(guī)定。若各項(xiàng)指標(biāo)均合格，則可認(rèn)為保留的件號6 筒體材料的力學(xué)性能合格。

（6）新制作的編號12 的筒體用32mm 厚的15CrMoR 代用。鋼板應(yīng)符合GB6654 的規(guī)定，采用電爐冶煉，使用狀態(tài)為正火+ 回火，鋼板要求按JB4730 做100%超聲檢測，質(zhì)量等級應(yīng)不低于Ⅰ級。鋼板兩端按GB150 的規(guī)定削邊，使之與件號2- 0 及件號6 端部形狀一致[1]。該段筒體應(yīng)制作縱焊縫的焊接產(chǎn)品試板，試板應(yīng)作模擬熱處理，并按表1 的項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)性能符合要求。

表1 試樣的力學(xué)性能指標(biāo)

3 焊接修復(fù)過程難點(diǎn)分析

管箱15CrMoR 筒體由撫順機(jī)械廠制作并焊完縱縫，消氫處理后，空運(yùn)到新疆塔河項(xiàng)目部。其最大的難點(diǎn)是管箱15CrMoR 筒體與過渡段UNS NO8811 錐體的焊接。15CrMoR 和UNS NO8811 在焊接特性上有較大的差異。Cr- Mo 屬珠光體耐熱鋼，在施焊過程中極易產(chǎn)生冷裂紋。預(yù)防冷裂紋的主要措施除嚴(yán)格選擇低氫型焊接材料，執(zhí)行烘干制度外，還必須在施焊前對母材進(jìn)行預(yù)熱，施焊過程中保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度，以及焊后消氫處理和消除應(yīng)力熱處理[2]。而UNS NO8811 是以Cr- Ni 為基的高合金奧氏體耐熱鋼，在施焊過程中極易產(chǎn)生的焊縫區(qū)的熱裂紋。所謂熱裂紋是焊縫金屬從液態(tài)凝固成固體時，在凝固點(diǎn)以下的高溫區(qū)發(fā)生的裂紋。防止熱裂紋產(chǎn)生的方法，除了要選擇好焊接材料以外，還必須在施焊過程中減少熱量的輸入，盡量采用小的線能量，加快焊后的冷卻速度，控制較低的層間溫度，并在無特殊要求時不進(jìn)行焊后熱處理。此外，兩種材料在線膨脹系數(shù)等物理性能方面也相差甚遠(yuǎn)，在組焊時造成較大的拘束度，從而增加焊接過程中熱裂紋產(chǎn)生的傾向[3]。15CrMoR 和UNS NO8811 化學(xué)成分和力學(xué)性能見表2 和表3。

表2 15CrMoR的化學(xué)成分及力學(xué)性能

表3 UNS NO8811 的化學(xué)成分及力學(xué)性能

對兩種焊接性能差異較大的材料進(jìn)行焊接，在廠內(nèi)坡口經(jīng)機(jī)加工，焊接位置可借助轉(zhuǎn)胎全部采用平焊的情況下，都具有較大的難度。而在現(xiàn)場組焊時，坡口是用碳弧氣刨出來的，極不規(guī)則，有的地方甚至刨出了雞蛋大小的坑；焊接位置又只能是橫焊，再加上工期緊，加大了焊接難度。另一方面，由撫順機(jī)械廠焊接的管箱15CrMoR筒體空運(yùn)到后，筒體與過渡段UNS NO8811 錐體相接的環(huán)縫已開好單面V 形外坡口，而項(xiàng)目現(xiàn)場焊接時采用X形坡口；焊接時先焊里口，然后打磨外口，再焊接外口。這也給焊接也帶來一定困難。

4 修復(fù)方案的制定

（1）由于管箱15CrMoR 筒體與過渡段UNS NO8811 錐體相接的環(huán)縫已開好單面V 形外坡口，所以UNS NO8811 錐體環(huán)縫的坡口只能按15CrMoR 筒體的坡口形式打磨。但此臺轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器為三類容器，為保證焊接質(zhì)量，要求兩側(cè)筒體均在里口側(cè)打磨出一個6mm 的小坡口，焊接時可采用外口清根的雙面焊，以保證焊接質(zhì)量[4]。

（2）管箱15CrMoR 筒體與人孔筒節(jié)采用K 形坡口形式，焊接工藝參數(shù)見表4。焊前焊接坡口表面均需進(jìn)行100%PT 或MT 檢測。焊接材料采用經(jīng)工藝評定合格的ENiCrFe- 2 焊條，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表5。管箱15CrMoR 筒體與過渡段UNS NO8811 錐體的焊接工藝參數(shù)見表6。

表4 15CrMoR之間焊接的焊接工藝參數(shù)

表5 焊條EniCrFe- 2 化學(xué)成分及力學(xué)性能

（3）由于UNS NO8811 錐體的坡口是氣刨的，打磨后仍極不規(guī)則。焊前要把氣刨產(chǎn)生的坑堆焊起來。由于UNS NO8811 高溫耐熱合金易產(chǎn)生熱裂紋，焊接時要求控制層間溫度，并采用小焊接線能量直道焊進(jìn)行多層多道焊。因此，為節(jié)省時間，焊接時采用水冷以提高效率。

（4）考慮到15CrMoR 筒體與過渡段UNS NO8811錐體焊接性有較大差異，現(xiàn)場組隊(duì)條件較差。因此，在與UNS NO8811 錐體相焊的15CrMoR 筒體側(cè)堆焊一個6mm 的過渡層。堆焊工藝參數(shù)見表6。

表6 15CrMoR側(cè)堆焊過渡層及15CrMoR與UNS NO8811 之間的焊接工藝參數(shù)

（5）15CrMoR 筒體側(cè)堆焊過渡層后，現(xiàn)場利用滑輪把15CrMoR 筒體與UNS NO8811 錐體進(jìn)行組對。組對后發(fā)現(xiàn)，由于坡口極不規(guī)則，兩筒體之間間隙大小不均勻，最大間隙達(dá)10mm，最大錯邊達(dá)10mm，無法保證焊接質(zhì)量[4]。為此，根據(jù)間隙的大小，在筒體上做出標(biāo)記，即畫出每段需要堆的高度。然后，把UNS NO8811 錐體取下，在UNS NO8811 錐體與15CrMoR 筒體相焊的一側(cè)按照標(biāo)記進(jìn)行堆焊。堆焊后，利用滑輪把UNS NO8811 錐體與15CrMoR 筒體進(jìn)行組對。

（6）經(jīng)過堆焊后,兩筒體的間隙大小基本接近，開始在外側(cè)進(jìn)行點(diǎn)焊，再焊接里口焊縫。

（7）由于UNS NO8811 高溫耐熱合金易產(chǎn)生熱裂紋，清根應(yīng)采用砂輪打磨。如果仍按通常的程序，采用砂輪打磨，那該道焊縫打磨至少需要3d。為保證工期，使用碳弧氣刨在外側(cè)先刨一下后，再使用砂輪打磨。

（8）因碳弧氣刨熱量較大并使焊縫增碳，氣刨過程中發(fā)現(xiàn)確有裂紋發(fā)生。因此，打磨時仔細(xì)檢查，對每一個認(rèn)為可能的缺陷都要認(rèn)真打磨，目測無缺陷后再進(jìn)行100%PT 檢測。發(fā)現(xiàn)缺陷后，重新打磨后再進(jìn)行PT 檢測，直至無缺陷為止。

（9）焊接外側(cè)焊縫。施焊完畢后，對焊縫部位進(jìn)行100%射線檢驗(yàn)，檢測結(jié)果為100%一級片一次合格。

5 結(jié)論

雖然15CrMoR 與UNS NO8811 兩種材料的焊接性能差異很大，尤其在現(xiàn)場操作條件較差，使焊接難度更大的情況下。但只要采取有效的措施加以控制，完全可以保證焊接質(zhì)量,新疆塔河項(xiàng)目聯(lián)合制氫裝置轉(zhuǎn)化氣蒸汽發(fā)生器的修復(fù)也證明了這點(diǎn)。由于措施得當(dāng)，使修復(fù)工作一次完成，為新疆塔河項(xiàng)目聯(lián)合制氫裝置的開車爭取了時間。