热低压分离器焊缝裂纹原因分析及处理措施

摘要：某炼化分公司400万t／a高压加氢裂化装置以常减压装置的减二线蜡油和减三线蜡油以及焦化装置蜡油为原料，在高温高压、氢气以及催化剂的作用下经过加氢精制和加氢裂化反应脱除原料中的硫、氮、金属等杂质，反应产物自反应器流出经过换热后进入热高压分离器进行气、液分离，液体降压后去热低压分离器。热高压分离器气体经过换热后进入冷高压分离器进行汽、液、水分离。热低压分离器中的液体直接进入分馏系统，气体则经过冷却后进入冷低压分离器。本文主要阐述热低压分离器焊缝裂纹原因分析及处理措施。

关键词：热低压分离器；焊缝裂纹原因；处理措施

中图分类号： C35 文献标识码： A

一、热低压分离器简介

热低压分离器位号106－D－104，主要设计参数：工作压力3.05ＭＰａ，工作温度283℃；设计压力4.0ＭＰａ，设计温度340℃。工作介质为油＋H2＋H2S，主要材质为15CrMoR(H)＋TP321，规格(内径×厚度×长度)3600mm×(64＋3)mm×10400mm。

此分离器于2009－03投入运行，至2011－10装置停汽检修，已平稳运行31个月，在投用期间没有出现超温、超压运行现象。

在装置停工检修期间，对该设备进行了投用后首次全面检验。通过磁粉检测在筒体下部外壁A6纵焊缝热影响区发现长条形裂纹(最长330mm)缺陷。由于该裂纹较长，按照《固定式压力容器定期检验规则》对热低压分离器进行了拓检。对该设备内、外侧焊缝进行磁粉检测(MT)＋渗透(PT)检测，共发现外部裂纹12处，裂纹分布见图１。

图１检测出的热低压分离器裂纹分布示图

二、焊缝对疲劳容器强度的影响

焊缝对容器强度的影响分两个方面：焊缝余高、内部和表面缺陷。

(一)焊缝余高

焊缝表面两焊趾连线上的那部分金属高度，通俗地理解为焊缝凸出母材表面的部分称为焊缝余高。理想的无余高而又不下凹的焊缝难以获得。余高对容器强度的影响具有两面性，余高一方面增加了焊缝金属截面积，对其静强度有利；另一方面还表现在焊接过程中，余高焊缝相当于对下层焊缝进行了一次热处理(退火)，整条焊缝得到保温和缓冷，对细化晶粒、减少焊接应力起了很大的作用。从这两个方面来看，焊缝余高对容器的静强度是有益的。但余高对强度却是十分有害的，当余高较大时，焊缝表面凸起，过渡不圆滑，造成焊缝局部形状突变，易造成应力集中，对焊接结构承载动载不利，导致降低强度。

(二)焊缝缺陷

焊缝中的缺陷，如气孔、夹渣、未焊透以及裂纹等，由于其尺寸通常很小，尽管对焊缝静强度有削弱的作用，但其影响相对也是较小的。然而焊缝中的缺陷对强度而言，缺陷前端会产生很大的应力集中形成峰值应力，大大降低强度，特别是原始焊接裂纹对寿命有很大影响，严重缩短容器寿命。材料破坏过程中，裂纹萌生过程要占总寿命的90％，其后的疲劳扩展寿命则很短。如焊接中已存在原始焊接裂纹，则日后的破坏就从裂纹扩张开始，大大加速了断裂的进程。这也就是30年设计寿命的容器却在使用３年后即出现开裂的主要原因。

三、裂纹原因分析

(一)焊接过程产生冷裂纹

15CrMoR(H)在退火状态下是珠光体组织，在淬火状态下是马氏体组织。在没有预热和缓冷的情况下，焊接熔池快速形成、快速冷却，焊缝组织二次相变就停留在马氏体区间内。马氏体属于淬硬组织，在冷却过程中受焊接应力作用和时效作用下很容易产生冷裂纹。为此，焊前预热，保证焊接层间温度和焊后缓冷措施对15CrMoR(H)是非常重要的。查取有关资料显示，该设备焊接在2007－11～2008－03，该地区处于全年气温最低及湿度最大季节。湿度较大加上有风的环境使得此设备的焊缝温度下降较快，焊条吸潮加快，在激烈的焊接冶炼过程中容易混入的水分子分解成氢离子、氧离子，而氢离子以游离状态溶入液态金属中。在熔池结晶冷却过程中，氢离子析出聚集在晶界间或缺陷内(如气孔、夹渣空隙内)，在冷缩应力下形成高内压，从而造成晶界开裂。

大型厚壁设备在此气候条件下很难保证焊前预热温度及焊后缓冷，焊接时容易产生冷裂纹。

(二)焊后热处理导致再热脆化

Cr-Mo钢设备需进行焊后热处理以消除焊接残余应力，降低焊接的硬度和改善其力学性能。随着装置的大型化，钢材强度或厚度增加，制造工艺规范有可能将热处理温度提高或保温时间延长。回火脆性的一个重要特征是除了在450～650℃回火时会引起脆性外，在较高温度回火后缓慢通过450～650℃的脆性发展区也会引起脆化。Cr-Mo钢焊缝金属中含有较多的淬硬组织，经较高温度热处理后，在消除应力、降低硬度的同时也将会改善韧性。但软解压热处理或过分延长保温时间(即增大回火参数)会引起焊缝金属和热影响区金相组织中碳化物沿晶界聚焦，可导致铁素体晶粒粗化，使焊接接头的强度降低，韧性变差，出现再热脆化。经过对裂纹的检测认为，裂纹缺陷很可能在制造出厂时就已经存在，只是由于冷裂纹具有延迟性，在设备运行过程中扩展长大。

四、解决措施

过2＃～12＃裂纹进行打磨消除缺陷处理(打磨深度均小于2mm)，经磁粉检测＋糁透检测后，合格。

１＃ 裂纹长度较长，且裂纹深度大于10mm，经设备中心、省特种设备检测院、设备生产厂家三方商后制定现场返修方案，具体如下。

(1)按磁粉＋渗透检测定位用砂轮打磨去除焊接缺陷，打磨过程注意冷却，并用渗透检测＋磁粉检测检查确认缺陷已消除。

(2)对A6整段纵焊缝进行消氢处理，升温速度约为55℃／ｈ。2支热电偶分别固定于上下打磨坡口处，采用外加热带的加热方式。

(3)消氢热处理后，对缺陷处按JB／T4730―2005《承压设备无损检测》进行100％ 磁粉＋100％渗透检测，Ⅰ级合格。

(4)缺陷完全清除后，采用外电加热带进行预热。加热范围为坡口两侧150mm，测温点位于坡口边沿，预热温度为150～200℃。

(5)严格按焊接工艺卡片进行施焊，焊接过程控制层间温度小于150℃。

(6)焊接完毕立即进行消氢热处理(350～400℃／(3h))，热处理要求同上第2条。

(7)焊缝打磨后，进行超声检测及渗透检测。

(8)无损检测合格后，对返修处部位进行焊后热处理。对A6焊缝外侧用电加热带整圈进行包扎，内侧铺保温棉进行保温。热处理工艺见图2。

(9)热处理后，再次进行超声检测及渗透检测，Ｉ级合格。

(10)硬度检查。焊缝、热影响区、母材不得大于224HB。

图2１＃ 裂纹修补后热处理工艺

五、焊接质量检验方法

焊接质量的优劣由焊接质量检验来控制。焊接检验必须从焊前各项准备、焊接过程中的检验和焊后对焊缝的检验等各个环节严格地进行。焊接的质量检验有焊前检查、焊中检验和焊后检验。

(一)焊前检验

焊前检验是检验焊件的焊接接口的材料特征、焊缝间隙和装配质量等。

原材料的检查，包括对母材、焊条(焊丝)、保护气体、焊剂、电极等进行检查，是否有合格证并是否与国家标准相符合，包装是否破损，是否过期等。

(二)焊接中检验

焊接中是否执行了焊接工艺要求，包括焊接方法、焊接材料、焊接规范(电流、电压、线能量)、焊接顺序、焊接变形及温度控制。焊接层间是否存在裂纹、气孔、夹渣等表面缺陷。

(三)焊后检验

焊后检验是经过外观检查、致密性检查、强度检查及焊缝无损检测等方法，现场核查焊接之后工件的焊接质量。对于有特殊用途的压力容器，对焊接之后的质量检查要采用多方法、多角度、多层次的检查方法对其展开综合检查，倘若发现焊接问题要及时采取补救处理。

六、加强对焊缝的检测技术要求

对国内多家石化和煤化工企业的氢提纯装置典型变压吸附塔筒体环焊缝及周边开裂甚至导致泄漏案例的分析，调研了百余台变压吸附塔的设计和使用情况，总结出近些年来国内容器短命的重要原因，大多数是由于焊接方法不当(焊材不适)和检测漏洞造成焊接裂纹引起容器超前断裂，必须引起容器生产和使用单位的高度重视。

金属结构在载荷下的寿命包括无缺陷时萌生寿命和裂纹萌生后的扩展寿命，一般萌生寿命占总寿命的90％，裂纹扩展寿命则短得多。从失效案例分析结果可知，焊缝中存在原始制造缺陷(热裂纹)是导致变压吸附塔仅运行3年多就发生筒体开裂的主要原因。吸附器设计的寿命是基于材料无缺陷状态下的S－N曲线，在无缺陷的情况下裂纹的萌生寿命很长，但一旦有原始裂纹存在，裂纹不需要萌生，在载荷作用下很快就会发生亚临界扩展。当原始裂纹尺寸发展到某一临界条件时，裂纹就会发生失稳。

由于越过了裂纹的萌生阶段，因此显著地缩短了设备的寿命。案例中发生泄漏的裂纹断面的启裂部位存在明显的原始焊接裂纹，证明了原始焊接缺陷成为了裂纹源。

所以控制合理的焊接方法、焊材和加强无损检测是避免和消除热裂纹，确保容器“长治久安”的关键。而限制容器的制造单位、采用成熟可靠的焊接工艺也是非常必要的。容器与低温容器一样，唯有精工细作，才能经久耐用。

结语

本文主要对加氢裂化装置热低压分离器在全面检验过程中发现的焊缝裂纹进行了原因分析，并制定了修复方案及建议措施。

参考文献

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