加氢反应器焊接热裂纹原因分析及修复.pdf

工业技术 齐鲁石油化工，2010，38(3)：228—230 Q1LU PETROCHEMICAL TECHNOLOGY 加氢反应器焊接热裂纹原因分析及修复 王保兴刘克强徐长业 (山东省特种设备检验研究院淄博分院，山东淄博，255030) 摘要在对某炼油厂加氢反应器进行首次检验时，发现其简体环焊缝外部出现裂纹，通过化学成分、金相、硬度分 析等方法确定裂纹的性质是焊接热裂纹，对裂纹进行修复处理。 关键词加氢反应器焊接热裂纹修复 中图分类号：TQo52．5 文献标识码：B 文章编号：1009—9859(2010)03—0228—03 1前言 加氢反应器是加氢装置的关键设备，一般在 高压10．0～25．0 MPa、高温400～480℃、临氢及 硫化氢等条件下工作。为防止氢脆、氢腐蚀、硫化 物腐蚀，Cr—Mo钢回火脆化及堆焊层的剥离等严 重损伤，对加氢反应器的设计、制造工艺、材料、焊 接技术及焊接质量都有很高的要求。 某炼油厂加氢反应器(R101)，2006年1月由 国内某重型机械制造厂设计制造完成，主体材质： 2．25 Cr一1Mo一0．25V，设备内壁：带极堆焊。 2008年3月投入使用，其工作参数列于表1。 表1 R101工作参数 设计压力／MPa 最高／最低工作温度／~C 介质 规格／mm 9．8 420／350 H2，油 4,4 213×28 566×125／80 图1裂纹宏观照片 2010年3月，首次对RIOI进行全面检验：对 R101进行内外部宏观检查、壁厚测定、硬度测定、 内壁堆焊层渗透检测、超声波检测时，均未发现缺 陷；对R101焊接接头外部(焊缝余高出厂前已打 磨)进行100％磁粉检测，在第一筒节与第二简节 对接环焊缝的熔合线部位，发现了沿熔合线开裂 的表面裂纹，具体情况如图1所示。 从图1可知：裂纹边缘呈锯齿状，具有焊接热 裂纹的宏观特征。裂纹长400 mm，深约3 mm。 2裂纹部位金相分析 采用现场金相分析仪，观察裂纹处的金相组 织，金相照片见图2。 图2裂纹处的金相组织(放大250倍) 从图2可看出，裂纹尖端沿晶界走向是焊接 热裂纹的特征。金相组织：回火贝氏体，晶粒细而 收稿日期：2010—07一】3；修回日期：2010一O8—2O。 作者简介：王保兴(1965一)，男，工程师。主要从事特种设备 检验工作。电话：13176229421。 第3期 王保兴等．加氢反应器焊接热裂纹原因分析及修复 ．229． 从表2可知，裂纹处和裂纹附近的P、Sn、Sb 含量比母材高，其他化学元素含量属于正常值范 围内。 2．25Cr一1Mo一0．25V钢在高温下具有良好 的力学性能和耐氢腐蚀性，但在325～575 oC长期 使用过程中，会产生高温回火脆性。产生的原因： 在高温下，钢中微量杂质元素和某些合金元素 (P，Sn，As，Sb等)向奥氏体晶界偏析，使晶界的 凝聚力下降所致…。由于杂质在晶界上偏析导 致晶界强度降低而使材料韧性降低，当晶界强度 高于晶内强度时为准解理断裂，当晶界强度低于 晶内强度时为沿晶断裂 J。 (2)硬度分析结果 在裂纹、焊缝和母材部位进行硬度测定，结果 列于表3。 表3硬度分析结果 从表3可知，裂纹部位的硬度较焊缝、母材部 位偏高，说明裂纹处残余应力较高。加氢反应器 在高温高压下运行，壁厚125 mm，易产生温差应 力，应力叠加后，产生沿晶界开裂的表面裂纹。 (3)裂纹扩展 2．25Cr一1Mo一0．25V具有抵抗裂纹扩展能 力，因此只有当拉伸应力足够大时，裂纹才有可能 扩展。此抵抗裂纹扩展的能力可以用表面自由能 来度量。若只考虑脆性断裂，则裂端区的塑性变 形可以忽略不计。因此，在准静态的情况下，裂纹 扩展时裂端区所释放出来的能量全部用来形成新 的裂纹面积。根据能量守恒定律，裂纹发生扩展 的必要条件是：裂纹区要释放的能量G等于形成 裂纹面积所需要的能量，若每个裂端的裂纹扩展 量为△理，则根据能量守恒定律有： G(BAa)=y (2BAot) (1) 式(1)中， 是表面自由能，2BAo~则是裂纹 新增的面积(裂纹有上下两个表面)，式(1)就是 Griffith断裂判椐 。 1957年欧文(G R Irwin)证明了裂纹尖端近 处应力场，认为裂纹扩展的lI缶界状态是用裂纹尖 端应力场强度达到材料的临界值来表示的，对于 I型(平面)裂纹，用式(2)表示： KI=KI c (2) 式中，K =O“ffO~，它集中反映了裂纹尖端附 近区域内各点应力的强弱程度，称为应力强度因 子，简称 因子。 为I型裂纹问题中处于平面 应变状态下的材料II缶界值，称为材料的平面应变 断裂韧度，是材料的一种力学性能，可以通过材料 试验而得到。式(2)表示当应力强度因子K 等 于(或大于)材料的本身应变断裂韧度 时，裂 纹就扩展。式(2)称为I型裂纹的低应力脆性断 裂判据(即 判椐) j。 R101反应器材质是2．25Cr—IMo一0．25V， 属于高强钢材料，对裂纹非常敏感，只要满足K 判椐条件，裂纹就扩展很快。 4裂纹修复 分析裂纹产生原因后，制定了裂纹消除方案： 砂轮打磨消除。裂纹分为三段，中间一段最长，为 300 mm，其余两段均为50 mm。为了避免砂轮打 磨时裂纹扩展，在裂纹尖端处打了止裂孔，用 150 砂轮片打磨裂纹。边打磨，边进行磁粉检测， 直到裂纹全部消除。对打磨处进行圆滑过渡处 理，裂纹处打磨深度3 mm。根据《压力容器定期 齐鲁石油化工 第38卷 检验规则》第四十条，判定打磨凹坑是否需要补 焊，计算无量纲参数 如下 ： ，1 ■ G0= 1I=7．3×10。<0．10，凹坑在允 √ 2。 许范围内，不需要补焊。 其中，凹坑长轴长度2A=300 mm；凹坑深度 C=3 mm；凹坑所在部位容器壁厚T=122 mm；容 器半径R=2 106．5 mm。 5预防措施及建议 R101在使用过程中应采取以下措施： (1)运行中要严格控制工艺操作条件，严禁 超温或急聚降温冷却。 (2)严格执行开停工中升温、降温，升压和降 压的程序。停工时，应先降压后降温，采取缓慢降 温，以降低反应器壁中残留的氢浓度，达到脱氢的 目的；开工时，先升温后升压。 在升、降温时，有效地控制升温速率不要大于 30℃／h。 (3)定期检测堆焊层是否有 相产生，并检 查堆焊层的层下开裂和结合面的剥离缺陷。 (4)检查反应器母材材质的劣化状况及其焊 缝，防止回火脆性，断裂韧性下降和氢致裂纹扩展 及在温度较低而应力水平较高的情况下发生的脆 性破坏。 参考文献 1赵萍．加氢反应器用2一l／4Cr一1Mo钢回火脆性 分析，河南石油，2002，3(16)：54—55 2徐庭栋，李庆芳，杨尚林．低作用应力引起的溶质在 晶界非平衡偏聚或贫化．钢铁研究学报，2001，13 (4)：28～33 3 Griffith A A．Phil Trams．Roy Soc L0nd，A221(1920)： 163 4 Irwin，G IL J APPI Moth，1957：361 5压力容器定期检验规则．TSGR7001--2004．北京：中 国计量出版社，2004 REASoN ANALYSIS AN D REPAIR oF WELDING HEAT CRACK IN HYDRoGENATIoN REACToR Wang Baoxing，Liu Keqiang，Xu Changye (Zibo Branch Institute of Shandong Special Equipment Inspection and Research Institute， Zibo，Shandong，255030) Abstract Crack was found outside of circumferential weld in cylinder when first inspec- tion was made in the hydrogenation reactor of a refinery，determined the crack was welding heat crack by analyzing its chemical component，metallographic phase and hardness，and made re— pair treatment to the crack． Key words hydrogenation reactor，welding heat crack，repair 新一代用于生产超低硫柴油的BRIMTM催化剂 近年来，丹麦TOPSOE公司已经成为加氢处理领域所需搞活性催化剂的一个领先供应商。开发的 新型CoMo催化剂TK一578 BRIM 主要针对加氢处理装置设计，采用与上一代催化剂TK一576 BRIMTM相同的标准。TK一576 BRIM 已在90多套装置上使用。 在中型装置上，采用75％的直馏柴油(SRGO)／25％的轻循环油(LCO)混合原料，比较了TK一578 和TK一576的活性，活性的差距取决于原料种类和操作条件，在低脱硫率的情况下，新催化剂表现出更 好的性能(TK一578和TK一576催化剂可得到硫含量分别为164× 和2l 1× 的柴油产品)。 (殷树青摘自<(NPRA ANNUAL MEETING AM一09一l5》)