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高压加氢反应器检验及缺陷修复
作者：郭保国 姬辉
来源：《河南科技》2017年第03期
摘要：由于高压加氢反应器处在高温、高压、临氢及易燃易爆介质的运行环境中，为确保高压加氢反应器安全、稳定的长期运行，其检验工作就显得尤为紧迫和重要。本文针对某BDO装置的高压加氢反应器在检验过程中发现的沿筒体环焊缝出现的外表面裂纹，分析其形成原因及修复方法。
关键词：BDO装置；高压加氢反应器；检验；再热裂纹；补焊
中图分类号：TE966 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）02-0051-02
高压加氢反应器处在高温、高压、临氢及易燃易爆介质的运行环境，为确保高压加氢反应器安全、稳定的长期运行，其检验工作就显得尤为紧迫和重要。本文针对某BDO装置的高压加氢反应器在检验过程中发现的缺陷，分析其形成原因及修复方法，为国内外同类设备的检验及安全使用提供参考。 1检验情况
2016年河南省锅炉压力容器安全检测研究院检验人员对某精细化工厂BDO装置所属特种设备进行了定期检验工作。在检验过程中，通过磁粉检测发现该装置高压加氢反应器存在多条沿简体环焊缝的外表面裂纹，裂纹宏观形貌如图1所示。 1.1设备概述
该高压加氢反应器于2011年9月投入使用。设备为单层锻焊立式结构，其使用压力18.9MPa；使用温度152～C；筒体材质为14CrlMoⅣ，厚度为82mm；堆焊层为347L不锈钢，厚度为6mm。设备详细参数见表1。 1.2检验方法
依据《压力容器定期检验规则》对该高压加氢反应器分别进行了宏观、测厚、超声波、磁粉及渗透等检测。其中，超声波检测采用CTS-9008型超声检测仪，探头型号
2.5P13×13K1/K2，评定灵敏度φ2×40-14dB，依据NB/T47013.3-2015对筒体外表面焊缝进行单面双侧扫查；磁粉检测采用CJE-220型便携磁轭式磁粉检测仪，磁粉类型为非荧光磁粉，灵敏度试片为A1-30/100，依据NB/T47013.4-2015对筒体外表面焊缝进行检测。
在磁粉检测过程中发现第二筒节和第三筒节连接环焊缝处存在多条裂纹，裂纹最长1124mm，裂纹的走向大体沿环焊缝熔合线方向，裂纹宏观形貌如图1所示。经RMG4015型
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裂纹测深仪检测，发现该裂纹深度为15mm，确定裂纹为非贯穿型外表面裂纹，建议打磨消除并补焊。
2裂纹修复方法
对于产生表面裂纹损伤的加氢反应器，需要打磨消除，当打磨深度超过允许范围后，对打磨部位应进行补焊。本文中的加氢反应器筒节壁厚达到82mm，在补焊时，如果补焊工艺不当，焊缝与母材之间的热容差会导致焊缝金属快速冷却，此时熔合线附近会存在较大的残余拉应力，并且出现对裂纹敏感的脆硬组织，导致在补焊位置可能发生开裂。因此，应严格控制预热、层问温度、焊接规范、PWHT等补焊工艺。
焊前对坡口及坡口外侧246mm范围内采用电加热带进行预热，预热温度200℃，焊接采用手工焊，焊条选用φ3.2的R307，焊接热输入量控制在24.9kJ/cm，层间温度控制在200～300℃。焊后对焊缝及周边位置进行350℃左右的后热处理，保温时间1.5h。随后对该环焊缝采用电加热带进行670℃焊后热处理，根据设备壁厚确定保温时间为3h。焊后48h，对补焊位置进行磁粉检测，未发现表面缺陷。
图2为补焊位置经焊后热处理的布氏硬度。由图2可以看出，母材硬度平均为164HB，补焊焊缝平均186HB，补焊热影响区平均189HB，筒节原始环焊缝平均171HB，由此可认为采用该裂纹修复工艺，补焊部位未出现二次开裂，且根据不同部位硬度值，认为其焊接残余内应力也相对较低，能够保证设备的安全使用要求。 3分析及讨论
加氢反应器在高温、高压、临氢及硫和硫化氢介质条件下使用，易出现氢腐蚀、氢脆、高温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、Cr-Mo钢的回火脆性破坏等损伤情况。因此，目前加氢反应器多采用Cr-Mo钢内层堆焊不锈钢的结构。Cr-Mo钢确保钢的高温强度及热稳定性，不锈钢衬里减少内部介质对钢结构的腐蚀破坏。
本文中的高压加氢反应器材质为14Cr1MoⅣ厚壁锻钢，14Cr1MoⅣ钢不仅具有高强度，较好的韧性和弯曲性能，还具有较高的抗氢性能，综合性能优异，是世界各国普遍使用的热强钢和抗氢用钢，被广泛用于制造火电设备、核电设备及与氢相接触的石油、化工、煤转化设备等大型装置。
14CrlMoⅣ钢化学成分中含有1wt.%的Cr及0.25wt.%的Mo（其具体化学成分见表2）。加入铬、钼、钒等合金元素能够产生固溶强化作用，并在高温使用工况条件下，形成对应的碳化物、氮化物及碳氮化物等共格析出物，确保钢的高温强度和热稳定性，使得14Cr1MoⅣ钢具有良好的机械性能、抗氢脆及抗腐蚀等能力，但这些合金元素及部分杂质元素在一定的条件下有可能导致14Cr1MoⅣ钢制压力容器产生再热裂纹缺陷。
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加氢反应器尤其是高压加氢反应器，由于工况条件的需要，其铬钼钢外壁的厚度较大，材料的裂纹敏感性较强，对制造要求严格。尤其是筒节的对接环焊缝焊接，相对其他位置，该位置的拘束应力较大。焊后在熔合线附近会存在较大的残余拉应力。为消除残余应力，高压加氢反应器环焊缝需要进行焊后消除应力处理，对于含有沉淀强化元素的14CrlMoⅣ钢，在焊后可能未出现裂纹，而在热处理过程中或高温服役后可能会产生再热裂纹缺陷。 4结论
在检验过程中，通过磁粉检测发现该装置高压加氢反应器存在多条沿简体环焊缝的外表面裂纹，认为该缺陷是由于Cr元素沿焊缝熔合线附近组织晶问析出形成的合金碳化物及其他夹杂元素在晶界的偏聚，导致晶界弱化，在焊后热处理过程中形成的再热裂纹，该裂纹在高温使用过程中逐步扩展，最终形成如图1所示形貌。
对该缺陷，打磨消除后进行补焊，焊前对坡口及坡口外侧一定范围内进行200%预热，焊接热输入量控制在24.9kJ/cm以内，层间温度控制在200～300℃。焊后对该环焊进行670℃焊后热处理。采用该工艺进行补焊能够满足性能要求，并未发现新生缺陷。