尿素合成塔损伤及焊接修复技术

尿素合成塔损伤及焊接修复技术 郑启文 王文栋 翟伟红 胡庭友 潘广斌 杨永胜 1 哈尔滨焊接研究所 黑龙江 哈尔滨1 5 0 0 8 0 2 中石油 吉林石化公司 吉林 吉林1 3 2 0 2 2 摘要 某厂尿素合成塔经8万 h运行后检查发现 奥氏体不锈钢衬里中下部存在明显均匀腐蚀 中 上部焊缝 区及部分母材 托架 出现严重开裂 解决 了修复 中几个技术关键 包括对隐性敏态及非敏 态裂纹的探伤 不锈钢衬里补焊过程 中的脆性开裂 衬里贴合不 紧密区裂纹的修复 确保衬里大面 积堆焊区的抗腐蚀性能等 对损伤尿塔进行 了修复 经几年运行考验 证 明修复技术可靠 关键词 尿素合成塔 腐蚀及裂纹 修复 中图分类号 T Q 0 5 3 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 0 1 0 0 0 5 6一 o 4 d o i t O 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 0 1 0 0 1 0 Da ma g e Ana l y s i s f o r Ur e a S yn t he s i s Co nv e r t e r a n d Re pa i r i n g Te c h ni q u e Z HE N G Qi w e n WA NG We n d o n g Z H AI We i h o n g HU Ti ng y o u PAN Gu a ng b i n YANG Yo ng s he ng 1 H a r b i n R e s e a r c h I n s t i t u t e o f We l d i n g Ha r b i n 1 5 0 0 8 0 C h i n a 2 J i l i n P e t r o c h e m i c a l C o P e t r o C h i n a J i l i n 1 3 2 0 2 2 C h i n a Abs t r a c t T h e i ns p e c t i o ns s h o we d t h a t g e n e r a l c o r r o s i o n wa s s t rik i n g i n mi dd l i n g l o we r s e c t i o n o f a u s t e n i t e s t a i n l e s s s t e e l l i n i n g o f t h e u r e a s y n t h e s i s c o n v e r t e r s e r i o u s c r a c k i n g e x i s t o n w e l d a n d l o c a l p a r e n t me t a l i n mi d d l i n g u p p e r s e c t i o n o f t h e t o We r wo r k i n g i n 8 X 1 0 h Da ma g e d t o we r h a d b e e n r e p a i r e d g u e c e s s f u l l y a f t e r s o l v i n g t e c h n i c a l k e y s f i n c l u d e d e t e c t i o n o f r e c e s s i v e s e n s i t i z e d c r a c k s a n d n o n s e n s i t i z e d c r a c k s b r i t t l e c r a c k i n g r e pa i r i n g o f l o o s e l i n i n g z o n e e n s u r e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e f o r l a r g e r e pa i r z o n e I t s r e l i a b i l i t y w a s c o n fi r m e d b y y e a r s s e r v i c e Ke y wo r d s u r e a s y n t h e s i s e o n v e e r c o r r o s i o n a n d c r a c k i n g r e p a i ring 0 引 言 某厂尿 素合 成塔 1 3 1 4 0 0 m m 以下 简 称 尿 塔 累计运行约 8万 h 约 1 1年 检查发现 其不 锈钢衬里存在大范围严重裂纹 该厂和哈尔滨焊 接研究所合作 探讨裂纹性质和成 因 解决 了探 伤 补焊过程 中开裂 大面积堆焊区抗腐蚀性能等 技术难题 采用补焊完成了该 台尿塔的修复 该尿塔为多层包扎结构 规格 D 1 4 0 0 m m 5 6 1 2 8 mm 2 8 7 4 0 m m 设计压力 2 1 5 6 MP a 设计 温度 1 8 6 o C 壳体层板材料 1 6 Mn g c 厚度 6 m i l l 衬里材料 X 2 C r N i Mo N 1 8 1 2 M o d 厚度 6 8 m m 尿塔衬里共 1 9条环焊缝 2 4条纵焊缝 1 6 8个 n形托架 3 3 6处托架焊点 4 2个检漏孔 塞焊点 1 尿塔损伤情况 宏观检查 无损探伤及壁厚测定表明 尿塔 第 2 7卷第 1 0 期 压 力 容 器 第 2 1 5期 的损伤主要是不锈钢衬里的腐蚀及严重开裂 1 1 衬里的腐蚀减薄 尿塔中下部衬里均匀腐蚀较严 重 其壁厚减 薄较明显 最小壁厚 6 5 2 5 m m 母材表面有 点蚀 5 m m h 0 8 m m 部分焊缝两侧 有深 1 1 5 m m的沟槽 托架厚度 已腐蚀至不到 1 mm 尿塔中上部衬 里均匀腐蚀较轻微 但 出现 大范围严重开裂 1 2 衬里焊接 区开裂 1 环缝 区 上 封头与简体相连 环焊缝 及其 以下 1 2条环焊缝区均存在严重开裂 其 中 8条环 缝两侧整圈断续开裂 另有 2条环缝单侧整圈断 续开裂 裂纹均分布于焊接热影响 区 多为平行 于环缝的开裂 也有与环缝垂直 彼此平行 较短 的横向裂纹群 见图 1 图 1 焊缝热影 响区裂纹 2 纵缝区 有 1 4条纵缝热影响区存在断续 裂纹 3 温度计套管 焊缝 检漏孔塞 焊焊缝周 围 存在环向断续裂纹 4 下封 头液 氨入 口管端 出现 3 0余条轴 向 裂纹 见图 2 图 2 液氨入 口管端部裂纹 5 托架焊缝热影响区裂纹 1 3 衬 里母 材 区开 裂 1 上封头衬 里大面积开裂 整个 封头衬里 表面遍布密疏不等的网状或龟裂状裂纹 见 图 3 图 3 上封头衬里裂纹 2 距个别纵缝边缘 熔合线 6 0或 1 0 0 m m 以外有较大范 围平行 于简体 轴 向的密集 裂纹区 最大 2 6 5 mm x 1 1 5 m m 3 1 6 8个 内件托架拐角 9 0 处几乎都有裂 纹 经打磨检查 上述焊接区和母材 区裂纹最大 深度为 5 fi l m 不少裂纹深度在 4 I Y t 1T I 左右 1 4裂纹特征及其成 因 1 裂纹形貌 对塔体上的裂纹分别进行宏观检查 现场金 相观察或取样分析 其结果见图 1 8 图 1 3为 裂纹宏观形貌 图 4 6为裂纹显微形貌 图 7 8 为断口电子扫描形貌 图 4 焊缝热影 响区裂 纹形 貌5 0 2 裂纹特点 裂纹属脆性开裂 其端部尖锐 是运行中产生 的动态裂纹 裂纹起始和扩展均为典型沿晶开裂 裂纹多源 每个开裂区均有 多条裂纹 同时萌生 裂 纹有分枝或二次开裂 断 口上有腐蚀痕迹 焊接热 影 响区 残余应力或附加应力区是裂纹产生和集 5 7 尿素合成塔损伤及焊接修复技术 V 0 7 N o 1 0 2 0 1 0 图 5 焊缝热影响 区裂纹形貌2 0 0 图6 托架弯角处裂纹形貌5 0 X 图7 焊缝热影响区裂纹断口形貌1 4 0 图8 托架弯角处裂纹断口形貌1 4 0 X 聚的区域 3 裂纹性质和成因 58 从衬里焊接区裂纹形态 均为沿晶型 分布 均分布于 紧邻熔合线的较窄热影响 区中 即经 历敏化温度 4 5 0 8 5 0 c c 作用的区域 产生条件 介质中 H S含量严重超标 较长时间停氧处理 分析 应属晶间腐蚀裂纹 液氨人 口管端部裂纹 属端晶腐蚀 它也属晶间腐蚀开裂 从衬里母材裂纹产生于严重冷变形区 兀形 托架 9 0 拐角处 衬里贴合不紧密 区 封头衬里 与基层间隙2 3 m m 变形不均匀区 筒体个别 部位 裂纹 为沿 晶型 从 多分枝等现象分析 其 具有应力腐蚀裂纹特征 检查尿塔运行情况 发生严重损伤前一段时 间 曾几次发生 C O 原料气 中 H s含量超标 至 少 2次含量超过 1 0 0 m g m 导致出现黑 红 尿 素 并引起尿塔停车处理 使尿塔较长时间处于缺 氧状态 由文献 1 3 可知 尿塔介质中氨基甲酸铵 N H C 0 0 N H C O O N H 2 一 尿素同分异构体氰氧 酸氨 N H C N O C N O一 等对尿塔奥 氏体不锈钢衬 里有很强的晶间腐蚀作用 尤其在缺氧情况下 主要是敏化态 晶间腐蚀 而过量 H S的存在 导 致介质中出现 H S S S O 它们不仅破坏衬里的表 面氧化膜 而且阻碍氧化膜重新生成 促进不锈钢 衬里的晶间腐蚀 综上 尿塔介质中 H S含量多次超标及其较 长时问处于缺氧状态是造成该台尿塔衬里严重开 裂的重要原因 尿塔中下部衬里均匀腐蚀较严重 还与介质冲刷腐蚀有关 尿塔 中上部衬里出现大 范围严重开裂与腐蚀性强烈 的介质 中间产物 主要分布于该区段有关 2 尿塔修复技术 尿塔 的衬里大范 围严重开裂 并未涉及承载 壳体 衬里实测壁厚范围 5 2 5 8 2 5 m m 在 1 8 个筒节和 2个封头衬里中 仅有第 1 1 1 2 1 3共 3 个筒节衬里壁厚不到 6 0 mm 分别为 5 8 5 3 5 5 2 5 ra m 因此 可对衬里补焊修复 2 1 需 解决的技 术 关键 1 保证不锈钢衬里大面积堆焊区具有足够 的抗腐蚀能力 对大面积堆焊修复 特别是垂直 位置立 向焊 焊接热输入高 焊接区重复受热次数 多 焊接残余应力大 因此 热影响区处于敏化温 第 2 7卷第 1 0期 压 力 容 器 总第 2 1 5期 度的范围大 停 留时间长 这对材料耐蚀性能极不 利 显然 如何保证修复 区在尿塔运行条件下有 足够的抗 晶间腐蚀能力至关重要 2 解决不锈钢衬里补焊过程 中的脆性 开裂 问题 补焊过程 中 屡次在补焊焊道附近或较远 处 5 0 1 5 0 mm范围 产生新 的裂纹 并伴有清 脆的开裂声 有时甚至 电弧刚引燃 仅仅焊很短 一 段 焊道 就 会听到新 的开裂声 使补焊被迫 中 断 3 对隐存敏态裂纹及非敏态裂纹的探伤 问 题 检查发现 环焊缝上侧热影响区材料沿熔合 线向下腐蚀 或可称刀状腐蚀 在焊缝上边缘后 下方产生隐形敏态晶间腐蚀裂纹 见图 9 此外 由于母材非敏态裂纹产生的非确定性 应避免上 述裂纹漏检 以保证尿塔修复成功 图 9 隐性敏态裂纹示 意 4 衬里贴合不紧密区裂纹 的修复 为消除 该区裂纹 打磨面积较大 深度较深 若补焊焊缝 边缘落在贴合不紧密区内 因应力集中 运行后往 往由此开裂 2 2采 用的修 复技 术 1 为避免裂纹漏检 采取普查 与重 点检查 相结合 对焊缝及热影 响区 衬里贴合不 紧密区 加工过程 中变形不均匀区 焊接残余应力较大区 结构不连续区 死角 腐蚀介质浓缩 管端 等应 重点检查 2 仔细寻找并彻底消除补焊 区周围隐存 晶 间裂纹 晶间腐蚀或应力腐蚀裂纹 其残余是引 起补焊过程 中脆性开裂的裂源 当用砂轮打磨消 除裂纹时 打磨深度应超过宏观裂纹深度 0 5 1 mm 3 采用低线能量 热量分散 不重复受焊接 热的补焊工艺 以控制敏化 区宽度及在敏化温度 停留时 问 该 工艺也使残余应 力及焊接变形较 小 1 手工 电弧焊 直 流 补焊 采用 较细焊 条 2 5 3 2 5 mm 较 J 电流 2 5 mll l m 5 0 8 0 A 0 3 2 5 mm 8 O 1 0 0 A 较快的焊接 速度 窄焊道工艺 2 也可用规 范较 小 的手工钨 极氩 弧焊 直 流 5 I T I I T I 1 0 0 A 补焊 3 在保证缺陷彻底清 除前提下 补焊坡 口应 尽可能小 以使补焊熔敷金属量尽可能少 4 对环缝区裂纹采用横焊位置 分段跳焊法 施 焊 较宽 焊层 可 由多条 平行 横 向焊道 组成 5 对纵缝区裂纹及较宽 较大范 围母材区缺 陷补焊 切不可采用重复横向摆动一次焊成的方 法 否则补焊区受热严重 焊接应力和变形也大 对此 宜由多条相互平行的立向窄焊道组成 6 补焊过程 中严 控层温 最好 控制在 6 O c c 以内 由于补焊区刚性较大 表层材质损伤复杂 不采用水冷法降低补焊区温度 4 修复中充分利用 C r 2 5一N i 2 2一Mo 2型焊 接熔敷金属具有的高抗均匀腐蚀 晶间腐蚀 应力 腐 蚀 开 裂 性 能 数 据 显 示 当衬 里 母 材 为 X 2 C r N i Mo N 1 8 1 2 M o d 在尿塔条件下 焊缝熔 敷金属腐蚀速率 比母材低一个数量级 这也为全 面检验所证实 焊缝熔敷金属厚度变化很小 且未 查 出任何裂纹 1 与大范 围或大深度补焊 区紧邻 的衬里母 材受到严重热作用 在此高温热影响 区 敏化温 度 区 用小规范加焊一道保护焊道 2 两条相距很 近的补焊焊缝之 间的母材或 被补焊焊缝包围的狭小表面 可堆焊一层熔敷金 属 3 对管端 裂纹 挖 除补焊后 应 在整个管端 面上堆敷 1层 最好 2层 焊缝金属 5 调整焊道焊接顺序 对较深 较宽或较大 范围补焊 与衬里母材表面相交焊道最后焊 且焊 接线能量控制更严 分段跳焊 分区跳焊 6 对衬里贴合不 紧密 背面间隙较大 的龟 裂 区 补焊焊缝边缘一定要落在衬里壁厚正常且 背面问隙趋零的区域 且补焊焊缝边缘用砂轮修 整使之与母材 圆滑过渡 见 图 1 0 背 面间隙过 大时 还应采取重新衬里或堆焊措施 局部重新 更换衬里 需采用预变形或外加 下转第 2 9页 S q 第 2 7卷第 1 0期 压 力 容 器 总第 2 1 5期 上接第 5 9页 刚性拘束方法确保焊后衬里与基层紧密贴合 3结 语 图 1 0 衬里贴合不紧密区裂纹的修复 1 对某厂尿塔检验发 现 其奥 氏体