加氫反應(yīng)器接管焊縫疲勞安全性分析

劉明麗（福建省雄偉安全技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司，福建 泉州362012）

1 加氫反應(yīng)器接管焊縫檢測方法

焊縫檢測常用的方法包括射線探傷方法、超聲探傷法、滲透探傷法、磁性探傷法等，下文具體介紹加氫反應(yīng)器接管焊縫常用的檢測方法。

1.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法適用于不同位置焊縫檢測活動，檢測過后顯示焊縫方向及相關(guān)參數(shù)[1]。對比于射線焊縫檢測法，它具有范圍廣、速度快、精確度高等優(yōu)點，因此，合理運用超聲波檢測法能夠直觀掌握裂紋形貌。

1.2 顯微組織分析法

應(yīng)用顯微組織分析法進(jìn)行接管焊縫檢測，能夠細(xì)致觀察裂紋根部變化情況，進(jìn)而預(yù)測裂紋擴展趨勢。這能為焊縫疲勞安全性分析提供數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而有依據(jù)的制定修復(fù)方案，確保加氫反應(yīng)器平穩(wěn)運行[2]。例如，檢測某煉化公司加氫反應(yīng)器裝置時，運用顯微組織分析法發(fā)現(xiàn)弧長為3cm 裂紋，主裂紋邊緣存在微小裂紋，微裂紋呈封閉狀態(tài)，其中焊縫裂紋位置如圖1所示。

圖1 接管焊縫裂紋位置

2 接管焊縫疲勞安全性分析試驗

加氫反應(yīng)器制作材料普遍應(yīng)用2.25Cr1Mo鋼，這一材料的力學(xué)性能較高，被大多數(shù)石油煉化行業(yè)認(rèn)可。正常情況下，設(shè)計溫度在450℃以下，一旦超出常規(guī)溫度，則2.25Cr1Mo鋼疲勞裂紋安全性動態(tài)波動，并且此類研究相對較少。基于此，文章對其進(jìn)行試驗探究，全面總結(jié)焊縫疲勞擴展規(guī)律[3]。

遵循樣本提取→性能分析→試樣加工→測量計算等流程，其中2.25Cr1Mo鋼力學(xué)性能如表1所示。

表1 2.25Cr1Mo鋼力學(xué)性能

參照金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法——GB/T6398-2017 進(jìn)行試樣加工，充分準(zhǔn)備自動加熱試驗機器（EHF-ED250-40L）。常溫條件下預(yù)制疲勞裂縫，裂縫長度為3cm；中溫環(huán)境下對試件保溫或加熱，待保溫時間達(dá)半小時后進(jìn)行試驗，控溫精度為±1℃。試驗期間運用恒載荷法和柔度法，最大載荷、應(yīng)力比、試驗頻率分別為6.4kN、0.2、11Hz。借助計算機設(shè)備采集載荷信號，經(jīng)分析得知，載荷波形為正弦波。運用顯微鏡測量預(yù)制疲勞裂縫長度，經(jīng)曲率修正計算裂紋擴展速率。

3 試驗結(jié)果及焊縫疲勞安全性評定

3.1 試驗結(jié)果

利用七點遞增多項式準(zhǔn)確獲知裂紋長度、擴展速率等擬合值，并掌握不同溫度下疲勞裂紋擴展速率與應(yīng)力強度因子間關(guān)系公式，其中，室溫下二者相關(guān)系數(shù)為0.996；419℃下二者相關(guān)系數(shù)為0.995。擴展速率范圍在10-5～10-3mm/周時，室溫裂紋擴展速率明顯低于419℃裂紋擴展速率，隨著應(yīng)力強度因子的增加，不同溫度下，裂紋擴展速率差值逐漸拉大?？偨Y(jié)可知，溫度變化與材料強度成反比，即溫度升高后，材料強度隨之降低。如果載荷保持不變，那么裂尖前沿塑性變形隨之增加，一旦材料完整性遭到破壞，則接管焊縫裂紋疲勞安全系數(shù)大大降低。

3.2 安全性評定

加氫反應(yīng)器運行于高溫高壓環(huán)境下，操作期間易出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，進(jìn)而在應(yīng)力集中處產(chǎn)生不同形狀裂紋，參照壓力容器缺陷評定規(guī)范進(jìn)行安全性評定，通過應(yīng)力分析計算、裂紋疲勞擴展量計算、臨界裂紋尺寸計算得知裂紋臨界長度。應(yīng)力分析計算時，分別獲知內(nèi)壓、溫差引起的應(yīng)力值；裂紋疲勞擴展量計算時，通過條件假設(shè)，并利用擴展速率公式獲知裂紋疲勞擴展數(shù)據(jù)，得知擴展結(jié)果為2.28%；臨界裂紋尺寸計算時，憑借等效總拉應(yīng)力計算公式（σ=σ1+αb?σb+αr?σr）獲知數(shù)據(jù)平均值，同時，參照脆斷評定要求，按照這一公式獲得不同臨界長度計算結(jié)果，具體如表2所示。

表2 接管焊縫裂紋臨界長度

分析表格數(shù)據(jù)可知，擴展后裂紋長度仍在安全范圍內(nèi)，但安全裕度較小。由于加氫反應(yīng)器設(shè)備運行環(huán)境十分復(fù)雜，要想推動設(shè)備平穩(wěn)、安全運行，應(yīng)采取有效措措施予以防護(hù)，盡可能降低設(shè)備運行故障率。

4 接管焊縫裂紋產(chǎn)生原因及修復(fù)措施

加氫反應(yīng)器接管焊縫裂紋處理效果對生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響，一旦焊縫疲勞安全性分析不到位，則焊縫裂紋處理策略的時效性會大大降低，最終會增加設(shè)備安全隱患，一旦發(fā)生事故將造成重大的經(jīng)濟損失，進(jìn)而導(dǎo)致石油煉化企業(yè)經(jīng)濟利潤空間逐漸縮小。基于此，重點分析接管焊縫裂紋產(chǎn)生原因，據(jù)此提出可行性修復(fù)對策。

4.1 具體原因

焊管焊縫裂紋出現(xiàn)的原因包括兩方面，第一方面即焊接缺陷，第二方面即堆焊層裂紋缺陷。分析焊接缺陷原因，通過顯微組織得知焊縫裂紋來自焊趾趾根，經(jīng)焊肉大范圍擴散，直到形成穿透裂紋。常見焊接缺陷形狀有為球狀、氣孔狀，并且邊角位置可見微小裂紋。分析堆焊層裂紋缺陷原因，加氫反應(yīng)器和接管材質(zhì)以復(fù)合材料為主，基體對氫溶解度較小，但其擴散速度較快，然而堆焊材料與之相反。裝置啟動后，堆焊層氫吸收速度快于溶解速度，致使氫大量集聚于堆焊層，隨著溫度的不斷升高，堆焊層因冷熱差異過大而出現(xiàn)裂縫。除此之外，基體導(dǎo)熱系數(shù)明顯大于堆焊層導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，如果差異顯著的材料對接，那么極易形成焊接應(yīng)力，并轉(zhuǎn)為交變應(yīng)力，導(dǎo)致接頭出現(xiàn)裂紋，一旦裂紋持續(xù)擴展，最終會形成貫穿式裂紋。

4.2 修復(fù)措施

4.2.1優(yōu)選焊接材料

加氫反應(yīng)器接管材料對焊接質(zhì)量、安全系數(shù)有關(guān)鍵性影響，對于焊縫控制人員來說，應(yīng)主動與材料采購人員溝通，從安全性、穩(wěn)定性等角度出發(fā)，優(yōu)選高質(zhì)量焊接材料。在此期間，客觀分析焊縫金屬性能，優(yōu)選高溫性能高、抗裂效果良好的焊接材料。當(dāng)前ENiCrFe-3 焊條耐高溫，且線膨脹系數(shù)較優(yōu)，這既能對殘余應(yīng)力起到抵御作用，又能提高接管材料焊接適應(yīng)性，進(jìn)而全方面保證焊接質(zhì)量。因為焊接材料質(zhì)量對焊縫裂紋處理效果有直接聯(lián)系，所以要高度重視焊接材料選用工作，經(jīng)優(yōu)質(zhì)材料替換進(jìn)行裂紋修復(fù)，以便全面保證設(shè)備安全性，將安全隱患有效消除。由于市場上焊接材料種類多樣，這無形當(dāng)中提高了材料辨識難度，基于此，應(yīng)動態(tài)關(guān)注各類材料更新情況，針對材料性能細(xì)致分析，最終選用低成本、高性能接管材料，從整體上優(yōu)化焊接質(zhì)量。

4.2.2調(diào)整工藝參數(shù)

焊縫裂紋修復(fù)期間，視情況選用焊接工藝，從實用性、可靠性角度出發(fā)，氬弧焊、手工電弧焊相結(jié)合焊接方式最為常用，其中氬弧焊焊道直徑為0.25cm 焊絲，其余焊條直徑為0.32cm，焊接電流控制在85～115A之間，適宜焊接方式為短弧焊。不同焊道焊層的焊接方式、電弧電壓、填充金屬型號及直徑、焊接速度、焊接電流、線能量等參數(shù)存在差異，因此，應(yīng)有依據(jù)的調(diào)整焊接工藝參數(shù)，這是焊接工藝性能顯現(xiàn)的基本要求。例如，第一焊道應(yīng)用GTAW 焊接方法后，對應(yīng)的電弧電壓為10～15V、填充金屬型號為ERNiCr-3、填充金屬直徑為0.25cm、焊接速度為5～9cm?min-1、焊接電流為95～125A、線能量不超過20kJ?cm-1；第三焊道應(yīng)用SMAW焊接方法后，對應(yīng)的電弧電壓為20～22V、填充金屬型號為ENiCrFe-3、填充金屬直徑為0.32cm、焊接速度為5～9cm?min-1、焊接電流為95～130A、線能量不超過20kJ?cm-1。

4.2.3做足準(zhǔn)備工作

修復(fù)坡口之前，應(yīng)事先做好返修準(zhǔn)備工作，即高效清理缺陷位置，將缺陷兩端作為坡口底，兩端缺陷長度分別延伸2cm。其中，坡口上部長度大于底部長度，長度差約6cm，這是上坡口圓滑處理的基本要求。需注意的是，所處理坡口尺寸應(yīng)大于原缺陷尺寸，以便為后續(xù)修復(fù)工作起到基礎(chǔ)鋪墊作用。

由于加氫反應(yīng)器設(shè)備長時間處于富氫環(huán)境，焊接階段應(yīng)進(jìn)行溢氫操作，這是焊接質(zhì)量優(yōu)化的前提條件。具體做法為：應(yīng)用電加熱器提升坡口溫度，加熱繩在焊縫位置有效纏繞，控制加熱溫度在245～285℃之間，控制恒溫時間3.5h左右。

4.2.4焊接注意事項

底層焊道焊接期間有效排除氫氣，將溫度控制在48～58℃，與此同時，使用ERNiCr-3 焊絲打底焊接，待焊道底部優(yōu)質(zhì)處理后，對其光滑、清潔處理。底層焊接工作結(jié)束后，應(yīng)用PT+X予以檢查，避免出現(xiàn)遺漏焊接現(xiàn)象。當(dāng)檢查工作完成后，執(zhí)行填充焊接任務(wù)，以此提高焊縫裂紋修復(fù)效率。填充、蓋面焊接時，優(yōu)選手工電弧焊方式，具體操作步驟為：于坡口兩端堆焊處理，沿坡口方向接連焊接，其中坡口焊接延伸長度約2cm、堆焊厚度約0.3cm。焊接任務(wù)結(jié)束后，接下來對其潤滑、補焊處理，補焊期間遵循層層排序原則，確保焊接任務(wù)順利完成。

導(dǎo)管焊接后，對其細(xì)致檢查，待檢查合格后對其進(jìn)行超聲波檢測，一旦發(fā)現(xiàn)焊接不合格之處，應(yīng)及時分析原因，并制定處理對策，避免焊縫裂紋現(xiàn)象重復(fù)出現(xiàn)。對于石油煉化企業(yè)來說，應(yīng)面向焊接人員組織教育培訓(xùn)，借此機會傳遞理論知識、提升焊接技巧，同時，外聘焊縫裂紋處理經(jīng)驗豐富的員工，通過案例分析來豐富焊縫裂紋處理經(jīng)驗，確保類似問題高效處理、順利解決。

5 結(jié)語

綜上所述，石油煉化企業(yè)當(dāng)前處于轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期，為加快該企業(yè)轉(zhuǎn)型步伐，以試驗方式總結(jié)加氫反應(yīng)器導(dǎo)管焊縫疲勞擴展規(guī)律，通過優(yōu)選焊接材料、調(diào)整工藝參數(shù)、做足準(zhǔn)備工作、掌握焊接注意事項等措施提升導(dǎo)管焊縫裂紋處理效率。這既能保證導(dǎo)管設(shè)備安全性，又能順利實現(xiàn)高效生產(chǎn)目的，最終石油煉化企業(yè)競爭力和影響力會大幅提高。