高壓蒸汽透平進汽系統焊縫失效修復及預防策略

鄭顯偉,何 俊,周群群,何睿豐

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

某公司合成氨裝置2007年建成投用,其壓縮機組的高壓蒸汽透平進汽系統主體材質為12Cr1MoVG,設計壓力為10.8 MPa,操作壓力為9.7 MPa,設計溫度為545 ℃,運行溫度為 520 ℃。自2007年以來,先后出現7處共計9次焊縫失效開裂問題。焊縫失效開裂情況可分為3個階段。第一階段為2015年4月20日首次發現焊縫裂紋至2017年5月大修前發現6處8條裂紋。2017年5月裝置大修期間,對高壓蒸汽透平進汽系統所有焊縫進行了全面檢驗修復。第二階段為2017年大修至2018年2月,再次發現1處裂紋,及時采取了帶壓堵漏措施,至裝置停工檢修,對泄漏段以及一處π形彎進行了部分更換。第三階段為2018年10月高壓蒸汽透平進汽系統修復至2019年10月大修前。

為了確定2015年以來發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

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

顯微組織結構如圖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,發生了一定程度的組織球化,貝氏體仍保留原有的區域形態,但內部的碳化物已經發生了分散球化;焊縫和熱影響區為貝氏體+少量鐵素體,但焊縫中鐵素體呈網格狀析出【1】。

觀察焊縫完好位置的接頭橫截面熔合線附近微觀結構,發現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分布,其中有的微裂紋開裂寬度已經比較明顯。這些沿著斷口分布的微裂紋與沿著熔合線發現的微裂紋,形態和分布相似,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 透平進汽系統受力分析

根據壓縮機組竣工圖及現場情況對進汽系統受力情況進行調查分析發現,現場管托、支吊架等局部有偏移,同時也存在支架型號、安裝部位等與設計圖紙不符的情況,說明原設計補償量判定基準偏小。

高壓蒸汽透平投用了10多年,期間開停車近90余次,現場部分隔熱層沉降、彈簧支座失效,造成進汽系統局部應力過大和高溫膨脹后不能復位。

1.3 壓縮機組透平進汽系統焊縫失效原因分析

通過上述對焊縫的宏觀和微觀檢查以及對裂紋形貌等進行的實驗分析,同時結合現場透平進汽系統的運行狀況,判定失效原因主要有以下幾個方面。

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方面:

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

2) 裝置建成投產初期運行不穩定,開停車頻繁,溫度和壓力的交變產生疲勞損傷。

3) 12Cr1MoVG 材料的微觀組織隨運行時間的延長發生珠光體組織的球化、形成碳化物、產生蠕變孔洞及裂紋等導致材料的性能降低。

1.3.2 焊接質量的影響

隨機切割焊縫試樣6個,其中4個試樣的表面都發現了肉眼可見的宏觀孔洞,且發現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結果表明,母材性能符合標準要求,接頭強度較高,但焊縫硬度較高,韌性不滿足相關標準的要求【3】。

1.3.3 進汽系統應力的影響

現場管托、支吊架等局部偏移等情況表明,進汽系統存在局部應力過大的問題,隔熱層發生破裂或磨損,受損的隔熱托架失去約束作用,透平進汽系統高溫膨脹后不能復位。

2 焊縫失效修復方案及優化

2.1 重點和難點分析

焊縫失效修復方案及優化的重點和難點有以下幾點:

1) 高壓蒸汽透平進汽系統修復項目焊接量大,預制焊口數量達74道,占總焊口數(110道)的67%,剩余36個固定焊口在裝置現場完成。

2) 焊接質量要求高。焊前預熱、層間溫度控制和熱處理要求高,對焊工技能要求高。

2.2 實施方案

2.2.1 焊接工藝及實施

焊接坡口形式設計為雙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械加工方式,加工后的坡口在組對前應進行打磨,并進行滲透(PT)檢測,確保坡口無裂紋及其他缺陷。

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

焊接工藝如下:坡口制備—預熱—焊口組對—手工鎢極氬弧焊打底—手工電弧焊至20 mm厚—后熱—射線檢測—預熱—手工電弧焊蓋面至焊縫42 mm厚—熱處理—檢驗檢測。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,立即進行后熱處理,放置24 h后進行100%射線檢測,射線檢測合格后,重新預熱,之后完成手工電弧焊蓋面,然后立即進行熱處理,24 h后再進行100%超聲波衍射時差法(TOFD)檢測。

1) 預熱、組對及焊接

組對前,應清理坡口面及兩側母材外表面不小于20 mm范圍內的雜質。

組對定位后,應檢查坡口間隙、嚴格控制焊縫內壁錯邊量,采用電加熱法預熱,并合理控制預熱范圍。每一道焊縫的打底焊應一次完成,對任何可見性缺陷及不規整的焊縫,都應修磨清理。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。應嚴格控制每層厚度以及焊道寬度,每層焊道接頭應錯開。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行自檢、清理,尤其注意清理接頭及焊道兩側,發現外表成形不好的馬上補焊;焊接時引弧點應在兩定位焊之間,收弧時將弧坑填滿,并用砂輪機將收弧處修磨平整;填充焊除特殊原因外不得隨意中斷焊接,如須中斷,應立即進行后熱,后續焊接應進行焊前預熱。

2) 后熱處理和根部無損檢測

后熱處理應在停焊后立即進行,加熱溫度為300～350 ℃,保溫2 h,在保溫條件下自然冷卻。焊縫根層是容易產生缺陷的部位,在焊接至20 mm厚時應對根層進行一次無損檢測,保證根部的焊接質量。

2.2.2 熱處理

1) 預熱及后熱溫度計算

焊前預熱要選擇合適的預熱溫度。依據SH/T 3520—2015和DLT 869—2018的有關規定,12Cr1MoVG預熱溫度區間為200～300 ℃,考慮到施工時處于夏季,預熱溫度取值為220 ℃。焊接中因故無法避免中斷,或為保證焊接質量采取焊后先檢測再熱處理的方式時,必須進行后熱處理。及時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生溫度區間上限。GB/T 5310—2017中規定12Cr1MoVG回火溫度為720～760 ℃,經驗公式計算其延遲裂紋區間上限為170 ℃,而SH/T 3520—2015中推薦后熱溫度區間為200～300 ℃,考慮壁厚較大,取后熱溫度為300 ℃。

2) 熱處理參數

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

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

2.2.3 焊縫外觀檢驗及無損檢測

外觀檢查應在無損檢測之前進行。焊縫表面應成形良好,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 后進行100%TOFD、超聲(UT)、磁粉(MT)、硬度(HT)等無損檢測。

2.2.4 焊縫返修

當檢測發現焊縫中存在超標缺陷時,應進行返修。返修前應先根據檢測結果來確定缺陷類型(氣孔、夾渣、未熔合等)以及返修方案并嚴格執行焊接工藝和檢驗策略。

3 透平進汽系統運行維護預防策略

運行維護是設備全壽命周期中重要的一環。制定并落實高壓蒸汽透平的預防性策略,對延長高壓蒸汽透平進汽系統的使用壽命,降低壓縮機組的安全風險有著重要的意義。

3.1 強化進汽系統的狀態監測

在應力較大處設置膨脹位移監測點。操作人員定期對標尺讀數進行抄錄。技術人員重點關注開車、階段升溫、停車降溫后的位移數據變化。對于位移超標、降溫后不能復位的情況進行原因分析并采取相應措施,避免因管托、支吊架、保溫等失效導致進汽系統應力變化超出設計范圍的情況發生。

3.2 透平運行環境的監測

落實“管設備要管設備運行環境”的要求, 重點關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行溫度、 運行壓力等工藝指標控制情況, 嚴禁超溫超壓。當發生非計劃停工,蒸汽系統異常波動等情況時, 應及時對π形彎、 支吊架、 法蘭、 閥門、 三通等部位進行檢查記錄, 并調整相應高壓蒸汽進氣系統的檢驗方案。

3.3 優化透平進汽系統的預防性檢驗策略

高壓蒸汽透平進汽系統的檢驗,除了滿足法規要求的外部宏觀檢驗、壁厚測量、無損檢測、硬度測量及金相分析等檢驗項目和抽檢比例外,還需按照中石化《在用高壓蒸汽管道檢驗導則》開展檢驗。重點對回形彎等應力較大部位的焊縫以及檢修中TOFD檢測二級合格的焊縫進行復檢(抽查),通過比對大修竣工驗收時的TOFD影像資料判定缺陷有無明顯變化,且須經磁粉、硬度、超聲等檢測合格。

4 結語

蒸汽透平進汽系統應重點關注焊接、安裝質量管控、系統應力變化、檢驗檢測策略優化等方面,避免因焊接缺陷、管道應力變化導致材料的高溫蠕變損傷加速。主要措施如下:

1) 落實高壓蒸汽透平全壽命周期管理。對設計、材料采購、安裝、運行管控、檢維修等環節都應制定并落實相應的優化措施。

2) 不斷完善透平進汽系統的定時性事務和預防性工作策略,對副線、管托、支吊架、導淋等部位進行定時檢查記錄。

3) 優化預防性檢維修策略。及時制定落實ITPM(檢驗檢測及預防性維護)計劃,可考慮定期開展高壓蒸汽透平系統的基于風險評估的設備檢驗技術(RBI)工作,優化檢驗策略,合理降低設備運行風險。

4) 加強壓縮機組運行管控,防止超溫超壓及違反工藝操作程序等情況出現。加強對工藝異常波動的監控與處理。

5) 可考慮引進狀態監測系統。國內有研究機構已研發了一種針對蒸汽系統的高溫蠕變監測方法,通過在高壓蒸汽系統上預制高溫應變片,實現對材料蠕變的快速、準確監測。