鄭顯偉,何 俊,周群群,何睿豐

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司化工事業(yè)部,北京 100728; 2. 中石化湖南石油化工有限公司,湖南 岳陽(yáng) 414000)

某公司合成氨裝置2007年建成投用,其壓縮機(jī)組的高壓蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)主體材質(zhì)為12Cr1MoVG,設(shè)計(jì)壓力為10.8 MPa,操作壓力為9.7 MPa,設(shè)計(jì)溫度為545 ℃,運(yùn)行溫度為 520 ℃。自2007年以來(lái),先后出現(xiàn)7處共計(jì)9次焊縫失效開裂問題。焊縫失效開裂情況可分為3個(gè)階段。第一階段為2015年4月20日首次發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋至2017年5月大修前發(fā)現(xiàn)6處8條裂紋。2017年5月裝置大修期間,對(duì)高壓蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)所有焊縫進(jìn)行了全面檢驗(yàn)修復(fù)。第二階段為2017年大修至2018年2月,再次發(fā)現(xiàn)1處裂紋,及時(shí)采取了帶壓堵漏措施,至裝置停工檢修,對(duì)泄漏段以及一處π形彎進(jìn)行了部分更換。第三階段為2018年10月高壓蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)修復(fù)至2019年10月大修前。

為了確定2015年以來(lái)發(fā)生的多處焊縫開裂的失效原因是否相同, 分別于2017年、 2018年兩次取樣進(jìn)行失效分析。

1 失效原因分析

1.1 斷口形貌、焊縫組織及裂紋分析

斷裂表面均呈現(xiàn)明顯的條狀紋理,且具有高低起伏的形貌,據(jù)此可以判定,多層多道焊縫在靠近熔合線母材側(cè)區(qū)域沿著熔合線方向斷裂后形成了條形紋理。

顯微組織結(jié)構(gòu)如圖1(a)～圖1(c)所示。由圖1(a)～圖1(c)可見:母材的金相組織為貝氏體+少量鐵素體,發(fā)生了一定程度的組織球化,貝氏體仍保留原有的區(qū)域形態(tài),但內(nèi)部的碳化物已經(jīng)發(fā)生了分散球化;焊縫和熱影響區(qū)為貝氏體+少量鐵素體,但焊縫中鐵素體呈網(wǎng)格狀析出【1】。

觀察焊縫完好位置的接頭橫截面熔合線附近微觀結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了大量平行于熔合線傾斜方向分布的裂紋等缺陷。SEM照片見圖2。

圖2 焊縫完好區(qū)域熔合線附近SEM照片

此外,靠近斷口處存在多處裂紋群,如圖3(a)～圖3(b)所示。由圖3(a)～圖3(b)可見:裂紋群平行于斷口方向斷續(xù)分布,其中有的微裂紋開裂寬度已經(jīng)比較明顯。這些沿著斷口分布的微裂紋與沿著熔合線發(fā)現(xiàn)的微裂紋,形態(tài)和分布相似,均為孔洞聚集形成的開裂。

圖3 斷口橫截面附近平行于斷裂方向的微裂紋

1.2 透平進(jìn)汽系統(tǒng)受力分析

根據(jù)壓縮機(jī)組竣工圖及現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)進(jìn)汽系統(tǒng)受力情況進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)管托、支吊架等局部有偏移,同時(shí)也存在支架型號(hào)、安裝部位等與設(shè)計(jì)圖紙不符的情況,說明原設(shè)計(jì)補(bǔ)償量判定基準(zhǔn)偏小。

高壓蒸汽透平投用了10多年,期間開停車近90余次,現(xiàn)場(chǎng)部分隔熱層沉降、彈簧支座失效,造成進(jìn)汽系統(tǒng)局部應(yīng)力過大和高溫膨脹后不能復(fù)位。

1.3 壓縮機(jī)組透平進(jìn)汽系統(tǒng)焊縫失效原因分析

通過上述對(duì)焊縫的宏觀和微觀檢查以及對(duì)裂紋形貌等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)分析,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)透平進(jìn)汽系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,判定失效原因主要有以下幾個(gè)方面。

1.3.1 高溫蠕變及疲勞損傷的主要影響因素

高溫蠕變及疲勞損傷的主要影響因素有以下幾個(gè)方面:

1) 進(jìn)汽系統(tǒng)長(zhǎng)期在高溫高壓下運(yùn)行,高溫蠕變導(dǎo)致焊縫沿著靠近熔合線母材側(cè)斷裂,在斷口表面形成了明顯的高低起伏的條狀紋理。焊接接頭粗晶區(qū)韌塑性差,蠕變損傷在該特征區(qū)域形成大量的孔洞,沿著晶粒的邊界呈鏈狀分布,孔洞聚集產(chǎn)生微裂紋【2】。

2) 裝置建成投產(chǎn)初期運(yùn)行不穩(wěn)定,開停車頻繁,溫度和壓力的交變產(chǎn)生疲勞損傷。

3) 12Cr1MoVG 材料的微觀組織隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生珠光體組織的球化、形成碳化物、產(chǎn)生蠕變孔洞及裂紋等導(dǎo)致材料的性能降低。

1.3.2 焊接質(zhì)量的影響

隨機(jī)切割焊縫試樣6個(gè),其中4個(gè)試樣的表面都發(fā)現(xiàn)了肉眼可見的宏觀孔洞,且發(fā)現(xiàn)焊縫焊趾位置存在咬肉等缺陷。

材料及焊接接頭理化性能試驗(yàn)結(jié)果表明,母材性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求,接頭強(qiáng)度較高,但焊縫硬度較高,韌性不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求【3】。

1.3.3 進(jìn)汽系統(tǒng)應(yīng)力的影響

現(xiàn)場(chǎng)管托、支吊架等局部偏移等情況表明,進(jìn)汽系統(tǒng)存在局部應(yīng)力過大的問題,隔熱層發(fā)生破裂或磨損,受損的隔熱托架失去約束作用,透平進(jìn)汽系統(tǒng)高溫膨脹后不能復(fù)位。

2 焊縫失效修復(fù)方案及優(yōu)化

2.1 重點(diǎn)和難點(diǎn)分析

焊縫失效修復(fù)方案及優(yōu)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

1) 高壓蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)修復(fù)項(xiàng)目焊接量大,預(yù)制焊口數(shù)量達(dá)74道,占總焊口數(shù)(110道)的67%,剩余36個(gè)固定焊口在裝置現(xiàn)場(chǎng)完成。

2) 焊接質(zhì)量要求高。焊前預(yù)熱、層間溫度控制和熱處理要求高,對(duì)焊工技能要求高。

2.2 實(shí)施方案

2.2.1 焊接工藝及實(shí)施

焊接坡口形式設(shè)計(jì)為雙V形坡口,如圖4所示。

圖4 坡口形式

材料切割及坡口加工采用機(jī)械加工方式,加工后的坡口在組對(duì)前應(yīng)進(jìn)行打磨,并進(jìn)行滲透(PT)檢測(cè),確保坡口無(wú)裂紋及其他缺陷。

12Cr1MoVG屬于Cr-Mo珠光體耐熱鋼,具有較高的淬硬傾向,焊前應(yīng)將焊件均勻地加熱到所要求的預(yù)熱溫度。另外應(yīng)考慮在施焊過程中采取預(yù)防變形的措施。

焊接工藝如下:坡口制備—預(yù)熱—焊口組對(duì)—手工鎢極氬弧焊打底—手工電弧焊至20 mm厚—后熱—射線檢測(cè)—預(yù)熱—手工電弧焊蓋面至焊縫42 mm厚—熱處理—檢驗(yàn)檢測(cè)。其中,手工鎢極氬弧焊打底2遍,焊縫厚度約4 mm;然后手工電弧焊焊接至焊縫厚度20 mm,立即進(jìn)行后熱處理,放置24 h后進(jìn)行100%射線檢測(cè),射線檢測(cè)合格后,重新預(yù)熱,之后完成手工電弧焊蓋面,然后立即進(jìn)行熱處理,24 h后再進(jìn)行100%超聲波衍射時(shí)差法(TOFD)檢測(cè)。

1) 預(yù)熱、組對(duì)及焊接

組對(duì)前,應(yīng)清理坡口面及兩側(cè)母材外表面不小于20 mm范圍內(nèi)的雜質(zhì)。

組對(duì)定位后,應(yīng)檢查坡口間隙、嚴(yán)格控制焊縫內(nèi)壁錯(cuò)邊量,采用電加熱法預(yù)熱,并合理控制預(yù)熱范圍。每一道焊縫的打底焊應(yīng)一次完成,對(duì)任何可見性缺陷及不規(guī)整的焊縫,都應(yīng)修磨清理。焊接必須采用多層多道焊接(手工鎢極氬弧焊打底、焊條電焊多層填充加蓋面,見圖5),其中打底為2層,填充及蓋面共約11層,即每層填充厚度不得超過4 mm,寬度不超過12 mm。應(yīng)嚴(yán)格控制每層厚度以及焊道寬度,每層焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開。圖5中φ為焊條直徑(mm),δ為管道壁厚(mm)。

圖5 焊層焊道示意

每道焊縫完成后必須進(jìn)行自檢、清理,尤其注意清理接頭及焊道兩側(cè),發(fā)現(xiàn)外表成形不好的馬上補(bǔ)焊;焊接時(shí)引弧點(diǎn)應(yīng)在兩定位焊之間,收弧時(shí)將弧坑填滿,并用砂輪機(jī)將收弧處修磨平整;填充焊除特殊原因外不得隨意中斷焊接,如須中斷,應(yīng)立即進(jìn)行后熱,后續(xù)焊接應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱。

2) 后熱處理和根部無(wú)損檢測(cè)

后熱處理應(yīng)在停焊后立即進(jìn)行,加熱溫度為300～350 ℃,保溫2 h,在保溫條件下自然冷卻。焊縫根層是容易產(chǎn)生缺陷的部位,在焊接至20 mm厚時(shí)應(yīng)對(duì)根層進(jìn)行一次無(wú)損檢測(cè),保證根部的焊接質(zhì)量。

2.2.2 熱處理

1) 預(yù)熱及后熱溫度計(jì)算

焊前預(yù)熱要選擇合適的預(yù)熱溫度。依據(jù)SH/T 3520—2015和DLT 869—2018的有關(guān)規(guī)定,12Cr1MoVG預(yù)熱溫度區(qū)間為200～300 ℃,考慮到施工時(shí)處于夏季,預(yù)熱溫度取值為220 ℃。焊接中因故無(wú)法避免中斷,或?yàn)楸ＷC焊接質(zhì)量采取焊后先檢測(cè)再熱處理的方式時(shí),必須進(jìn)行后熱處理。及時(shí)的后熱處理可以有效地防止冷裂紋。后熱處理溫度不得高于該材料的高溫回火溫度,不得低于其延遲裂紋發(fā)生溫度區(qū)間上限。GB/T 5310—2017中規(guī)定12Cr1MoVG回火溫度為720～760 ℃,經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算其延遲裂紋區(qū)間上限為170 ℃,而SH/T 3520—2015中推薦后熱溫度區(qū)間為200～300 ℃,考慮壁厚較大,取后熱溫度為300 ℃。

2) 熱處理參數(shù)

焊縫熱處理溫度為720～750 ℃,保溫2 h。自由升溫至300 ℃后,升溫速度不大于120 ℃/h, 降溫速度不大于150 ℃/h ,300 ℃后自由冷卻,熱處理曲線如圖6所示。加熱帶寬度為焊縫中心兩側(cè)各260 mm。圖6中T為熱處理加熱溫度。

圖6 熱處理曲線

3) 硬度檢測(cè)

熱處理后應(yīng)做硬度值檢測(cè)。每個(gè)焊口不少于3處,每處5點(diǎn),具體為焊縫1點(diǎn)、雙側(cè)熱影響區(qū)各1點(diǎn)(共2點(diǎn))、雙側(cè)母材各1點(diǎn)(共2點(diǎn)),要求布氏硬度≤241 HB,且不低于母材硬度的90%。

2.2.3 焊縫外觀檢驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)

外觀檢查應(yīng)在無(wú)損檢測(cè)之前進(jìn)行。焊縫表面應(yīng)成形良好,寬度蓋過邊緣2 mm,外形平緩過渡,不允許有飛濺、夾渣、氣孔、裂紋、咬邊等缺陷。錯(cuò)邊不大于3 mm。焊縫余高不得大于3 mm,焊肉不得低于母材表面。熱處理完成24 h 后進(jìn)行100%TOFD、超聲(UT)、磁粉(MT)、硬度(HT)等無(wú)損檢測(cè)。

2.2.4 焊縫返修

當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫中存在超標(biāo)缺陷時(shí),應(yīng)進(jìn)行返修。返修前應(yīng)先根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)確定缺陷類型(氣孔、夾渣、未熔合等)以及返修方案并嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝和檢驗(yàn)策略。

3 透平進(jìn)汽系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)預(yù)防策略

運(yùn)行維護(hù)是設(shè)備全壽命周期中重要的一環(huán)。制定并落實(shí)高壓蒸汽透平的預(yù)防性策略,對(duì)延長(zhǎng)高壓蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)的使用壽命,降低壓縮機(jī)組的安全風(fēng)險(xiǎn)有著重要的意義。

3.1 強(qiáng)化進(jìn)汽系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在應(yīng)力較大處設(shè)置膨脹位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。操作人員定期對(duì)標(biāo)尺讀數(shù)進(jìn)行抄錄。技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注開車、階段升溫、停車降溫后的位移數(shù)據(jù)變化。對(duì)于位移超標(biāo)、降溫后不能復(fù)位的情況進(jìn)行原因分析并采取相應(yīng)措施,避免因管托、支吊架、保溫等失效導(dǎo)致進(jìn)汽系統(tǒng)應(yīng)力變化超出設(shè)計(jì)范圍的情況發(fā)生。

3.2 透平運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)測(cè)

落實(shí)“管設(shè)備要管設(shè)備運(yùn)行環(huán)境”的要求, 重點(diǎn)關(guān)注高壓蒸汽透平開停車期間的暖管、 排凝、 升溫、 降溫操作情況以及運(yùn)行溫度、 運(yùn)行壓力等工藝指標(biāo)控制情況, 嚴(yán)禁超溫超壓。當(dāng)發(fā)生非計(jì)劃停工,蒸汽系統(tǒng)異常波動(dòng)等情況時(shí), 應(yīng)及時(shí)對(duì)π形彎、 支吊架、 法蘭、 閥門、 三通等部位進(jìn)行檢查記錄, 并調(diào)整相應(yīng)高壓蒸汽進(jìn)氣系統(tǒng)的檢驗(yàn)方案。

3.3 優(yōu)化透平進(jìn)汽系統(tǒng)的預(yù)防性檢驗(yàn)策略

高壓蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)的檢驗(yàn),除了滿足法規(guī)要求的外部宏觀檢驗(yàn)、壁厚測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)、硬度測(cè)量及金相分析等檢驗(yàn)項(xiàng)目和抽檢比例外,還需按照中石化《在用高壓蒸汽管道檢驗(yàn)導(dǎo)則》開展檢驗(yàn)。重點(diǎn)對(duì)回形彎等應(yīng)力較大部位的焊縫以及檢修中TOFD檢測(cè)二級(jí)合格的焊縫進(jìn)行復(fù)檢(抽查),通過比對(duì)大修竣工驗(yàn)收時(shí)的TOFD影像資料判定缺陷有無(wú)明顯變化,且須經(jīng)磁粉、硬度、超聲等檢測(cè)合格。

4 結(jié)語(yǔ)

蒸汽透平進(jìn)汽系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注焊接、安裝質(zhì)量管控、系統(tǒng)應(yīng)力變化、檢驗(yàn)檢測(cè)策略優(yōu)化等方面,避免因焊接缺陷、管道應(yīng)力變化導(dǎo)致材料的高溫蠕變損傷加速。主要措施如下:

1) 落實(shí)高壓蒸汽透平全壽命周期管理。對(duì)設(shè)計(jì)、材料采購(gòu)、安裝、運(yùn)行管控、檢維修等環(huán)節(jié)都應(yīng)制定并落實(shí)相應(yīng)的優(yōu)化措施。

2) 不斷完善透平進(jìn)汽系統(tǒng)的定時(shí)性事務(wù)和預(yù)防性工作策略,對(duì)副線、管托、支吊架、導(dǎo)淋等部位進(jìn)行定時(shí)檢查記錄。

3) 優(yōu)化預(yù)防性檢維修策略。及時(shí)制定落實(shí)ITPM(檢驗(yàn)檢測(cè)及預(yù)防性維護(hù))計(jì)劃,可考慮定期開展高壓蒸汽透平系統(tǒng)的基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù)(RBI)工作,優(yōu)化檢驗(yàn)策略,合理降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

4) 加強(qiáng)壓縮機(jī)組運(yùn)行管控,防止超溫超壓及違反工藝操作程序等情況出現(xiàn)。加強(qiáng)對(duì)工藝異常波動(dòng)的監(jiān)控與處理。

5) 可考慮引進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)已研發(fā)了一種針對(duì)蒸汽系統(tǒng)的高溫蠕變監(jiān)測(cè)方法,通過在高壓蒸汽系統(tǒng)上預(yù)制高溫應(yīng)變片,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料蠕變的快速、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。