N6复合板碱熔釜修复的思索

刘欣中

（吉林石化公司建修公司 吉林吉林）

N6复合板碱熔釜R101A、B、C、D共8台，外形结构如图1。N6复合板碱熔釜操作压力2.5～-0.05 MPa；操作温度190℃；介质 NaOH（70%）、Na2SO4、甲醇等。容器材料16MnR（24 mm）+N6（3 mm）。容器类别Ⅲ类。焊接16MnR-16MnR，手工电弧焊，焊条 J507；16MnR-N6，N6-N6手工氩弧焊，焊丝ENi-1。

一、缺陷发现过程

1.N6复合层鼓包（脱层）

生产车间在设备正常检修期间,发现釜底N6复合层产生鼓包（脱层），最大的鼓包发生在乙车间R101A的底部,面积大约600 mm×500 mm，通知制造厂对鼓包缺陷进行修复。

图1 碱熔釜外形结构图

图2 垂直于焊缝的裂纹

2.N6复合层焊接热裂纹

初始N6复合层鼓包修复方法。将脱层的N6复合层取下，边缘采用搭接焊、内部采用N6板中间磨8 mm×100 mm长孔筛焊的方法，焊接采用氩弧焊N6-N6，16MnR-N6，焊丝ENi-1。在N6-N6焊接时，筛焊焊道两侧产生长约20 mm，间距5 mm的密集热裂纹，并伴有严重的气孔。虽采用调整电流、焊速、限制焊接摆动等措施，但效果无明显改观，N6复合层修复工作失败。

3.16 MnR基层碱脆

在此期间，乙车间R101D碱熔釜上封头环焊缝出现物料渗出，在外壁做表面MP检测，发现该碱熔釜上封头16MnR基层环焊缝有4条垂直于环焊缝，长度为80 mm，间隔150 mm左右的裂纹。人孔、接管的焊缝处也存在裂纹，见图2、图3。

在对16MnR基层的外侧打磨后发现，随着裂纹的深入，缺陷面积扩大，对其进行PT检验，可以看到裂纹由里向外扩展，呈网状。内侧裂纹细小、密集；外侧裂纹粗大稀疏。工厂委托检验单位对8台碱熔釜进行全面检验并且在人孔根部发生裂纹的16MnR基层部位取样，委托哈焊所进行理化和金相分析，报告结果显示：金相试件浸蚀后，显示裂纹显微形貌如图4所示，裂纹以沿晶扩展为主，局部区段为穿晶扩展；裂纹有显微分枝。裂纹覆盖物含有Na质量分数10.35%，S质量分数3.52%。

经了解N6复合板碱熔釜内的反应介质含有NaOH（70%）、Na2SO4等 。显然 NaOH（70%）碱溶液渗透到16MnR基层，在应力和碱溶液温度、浓度的共同作用下产生了碱脆。介质中含S，也揭示了劣化N6复合层产生焊接热裂纹的原因。

16MnR基层碱脆和N6复合层焊接热裂纹的产生机理已在《碱熔釜N6复合层的修复》、《再谈N6复合板碱熔釜的修复》文章中阐述，本文不再赘述。

4.N6复合层的气孔

在N6复合层鼓包和产生碱脆的16MnR基层部位的N6复合层表面和焊缝进行表面PT检测，同样发现大量气孔。气孔大约10个/cm2，孔径0.3 mm左右。

N6复合层的气孔分为3个来源。（1）封头转角处N6复合层鼓包处的气孔，是由于封头热压时加热温度过高导致的N6复合层被氧化（劣化），经腐蚀产生的针孔。（2）原N6复合层焊缝的气孔，是设备制造时N6复合层焊接产生的气孔。（3）初始N6复合层修复焊接时产生的气孔。

由于焊接时，对N6复合层表面处理不彻底，使用N6板裁剪的焊丝（无抗气孔、抗热裂纹性能），导致在焊接时产生的气孔（修复时，环境恶劣，ENi-1焊丝也已不合适）。

5.主要缺陷分布

根据检验单位对全部8台碱熔釜进行全面的检验结果，经统计主要缺陷分布见表1、表2。

二、缺陷修复（主要部分）

1.16MnR碱脆部位的修复

图3 人孔与接管焊缝处裂纹照片

图4 裂纹显微形貌

首先将覆盖上面的N6复合层剥离，其距离：焊缝坡口边缘向外至60 mm；从设备外侧对裂纹进行砂轮打磨，深度约15 mm；PT检测，确认坡口周边无裂纹，每次PT检测后用不锈钢电刷进行抽刷，清理渗透剂及显影剂等污物；预热100℃；SMAW第一层（焊接材料：底层，充填，盖面均为507焊条）；SMAW填充，每层焊完后，用风铲锤击打焊道，消除焊接应力；SMAW 盖面；从设备内侧返修，打磨深度约12 mm，其他工艺同上；将焊缝余高磨平，与母材齐平；RT检测,Ⅱ合格。

2.对16MnR碱脆修复部位的热处理

将16MnR基层返修部位，焊缝坡口边缘向外至60 mm的N6复合层剥离，目的是为了增加N6复合层对热处理部位的距离。使N6复合层的热影响降低到最小；依据HGJ18-89合理地降低热处理温度，增加保温时间。热处理温度550℃，保温2 h。在热处理部位与N6复合层隔离带，用潮湿抹布适度冷却，防止相邻N6复合层被氧化；用红外线测温仪对热处理温度严密监控。

3.N6复合层的修复（鼓包、含气孔的焊缝、碱脆部位N6复合层）

对设备内侧16MnR基层返修后焊道表面用不锈钢电动刷进行抽刷清理（在设备内不允许用丙酮清理）；对修复后的16MnR焊道表面采用GTAW 方式进行堆焊，焊丝选择：ERNi-1(抗气孔、焊接热裂纹性能较强)，层数为3层，层间温度250℃（每层完成后应进行PT检验，并用不锈钢电动刷进行抽刷清理）。N6复合层焊接时，必须严格按N6焊接规范进行焊接，防止焊丝和母材污染。

4.缺陷修复后效果

采用以上整体修复方法，设备运行3个月后观察，介质未对修复后的N6复合层表面产生腐蚀。在封头上环焊缝发生碱脆修复部位，虽然进行了热处理，但由于焊接应力的作用，外壁表面还是产生约3 mm的凹陷变形，对内侧N6复合层表面未产生影响。

三、修复过程的思索

1.对16MnR碱脆发生部位的研究

对碱熔釜发生碱脆裂纹的部位进行统计，发现其几乎全部集中在碱熔釜的上部，即封头环焊缝和人孔、接管根部的16MnR基层焊缝及热影响区。经分析碱脆集中发生在上封头，可能有以下两方面原因。

表1 缺陷分布统计

表2 缺陷分布统计

（1）从碱熔釜的结构上看，由于碱熔釜外部距离封头环焊缝下500 mm处开始，有外蛇管与筒体外壁以角焊缝的形式连接在一起。在对外蛇管进行焊接的过程中，实际上也对相应部位的16MnR基层焊缝起到了焊后热处理的作用。一定程度上消除了16MnR基层的焊接应力，碱脆（应力腐蚀）受到了明显的抑制。

（2）上封头气—液相区的NaOH会更加富集，浓度会更高，化学性质也会更加活跃。同时，由于在反应介质中还有Na2SO4、甲醇、T酸等，在195℃温度和2.5 MPa压力的作用下是否生成氢气、烃类、及H2S等，促使16MnR基层的应力腐蚀的产生。

2.对封头部位N6复合层产生劣化的研究

（1）温度对N6复合层的影响。根据封头缺陷的统计分析，N6复合层鼓包部位，集中在下封头。该部位的复合层都有被氧化的特征。这是因为N6的氧化温度上限：540～750℃，在对16MnR（24 mm）+N6（3 mm）复合板封头在热压过程中，由于壁厚，加热温度过高而且不均匀，防氧化措施不利，导致封头局部转角处N6复合层被严重氧化。经介质腐蚀，产生了细小但通透的空隙。介质液体渗入复合层界面，在外蛇管195℃的烘烤下和-0.05MPa真空作用下，液体迅速汽化，形成较大内压力，形成N6复合层鼓包，气孔中含有S等其他元素。

（2）封头壁厚对N6复合层的影响。从以上分析可以看出，16MnR（24 mm）+N6（3 mm）的厚度，是采用热压封头工艺的主要原因。根据设计参数对壁厚进行校核后发现，16MnR（16 mm）+N6（3 mm）完全可以符合设计参数的要求。采用旋压封头，可避免热压封头对N6复合层的氧化。计算结果（略）。考虑容器上部搅拌传动系统的载荷通过减速机底座，作用到封头上应力微小，可忽略不计。为了慎重，可在封头上焊接加强筋，保证封头的稳定性。筒体外压应力校核（略），计算结果符合要求。同时筒体缠绕Φ57 mm×3.5 mm加热蛇管，与筒体外壁角焊缝连接。蛇管外壁间距50 mm,由于筒体缠绕加热蛇管部位起到了加强环的作用,保证了筒体的稳定性。根据计算，16 MnR（16 mm）+N6（3 mm）完全满足Pc1（内压）=2.5 MPa；Pc2（真空）=-0.05 MPa的载荷要求。

16MnR（16 mm）+N6（3 mm）复合板制作椭圆封头，可采用成功案例：封头旋压的方法。旋压时，成型轮全经抛光后清洗去除油锈,旋压时为了保证贴合率不受影响，用80℃加热成型,温度用红外测温笔测量。这样加热温度大大降低，就可避免N6复合层加热时被氧化。

3.N6复合板碱熔釜整体制造工艺研究

设备整体组焊时，制造单位对N6材料的热敏性和可焊性认识不足。N6复合层焊接未按N6焊接规范制定工艺，并进行施工，导致焊缝存在大量气孔。片面追求效益，未选择抗气孔和抗热裂纹的焊丝，而是采用N6板裁剪焊丝，用于N6复合层焊接。由于N6焊接时对环境要求十分严格，而制造厂在施工时，未对N6复合层坡口和焊丝用丙酮进行严格的清理，对环境灰尘、湿度等也未进行控制。

N6复合层焊缝质量是保证设备整体质量的关键。制造过程中，应对N6复合层焊缝进行全面和规范的检验，发现产生严重的气孔，应及时修改焊接工艺，并对产生气孔的N6复合层焊缝进行彻底地清理，重新焊接。

对于盛装有应力腐蚀的N6复合板压力容器，可采用柔性石墨缠绕垫片，密封人孔及法兰，并对设备进行抽真空，然后在热处理温度不超过600℃的情况下，在外焊缝用加热带，对设备焊缝进行消除焊接应力。内部N6复合层在真空保护下，防止被氧化。

4.对检维修工作的思索

N6复合板碱熔釜返修工作是由制造厂家完成的，但是修复工作的曲折经历，对于检维修单位具有很多启示。

碱熔釜的修复工作，是从N6复合层鼓包修复工作开始，由于不了解石油化工企业中反应介质的特性，从复合层鼓包缺陷局部考虑问题，单纯地从焊接的角度来修复，使修复工作走了很多弯路。例如初始阶段，没有考虑到NaOH（70%）、Na2SO4对材料的作用，是导致无法解决N6复合层焊接热裂纹，致使修复工作停顿的主要原因。而且第一时间没有发现封头N6复合层氧化部位和焊缝气孔，NaOH通过气孔导致的碱脆的产生，险些造成重大安全事故。

从以上修复工作看到，N6复合板碱熔釜存在的缺陷种类多、分布广，由于设备原带缺陷和反应介质及工艺条件共同作用，产生次生缺陷，关系比较复杂，具有隐蔽性和严重的安全隐患。这就要求检维修企业的工程技术人员在遇到这样的问题时，不仅要求有坚实地本专业知识，还要具备对石油化工生产装置的工艺和反应介质的了解，依据检验结果，进行分析和制定全面的修复方案。因此，复合板压力容器缺陷修复，必须做好以下工作。

现场勘察，详细观察和记录主要缺陷及分布；审阅设计图纸，了解工艺参数，反应介质等；进行全面检测，根据情况进行理化和金相分析；对缺陷的产生进行科学地分析（注意介质对材料的作用）；制定全面的修复方案；技术交底和规范施工（监督工艺纪律执行情况）；修复部位检验；设备耐压试验。

四、小结

N6复合层设备制造单位应严格按标准规范和本单位《焊评》，制定焊接工艺，严格工艺纪律。实践证明，焊接方面的缺陷，往往是因为未按规范施工所造成的。设备制造完成后，可采用内部抽真空，外部焊缝进行消除应力热处理，避免复合层产生缺陷，导致基层发生碱脆。

设计单位在设计N6复合板压力容器时，在保证设备的强度和稳定性前提下，还要尽量减少不必要的基层厚度，减轻封头制造的压力。

N6复合板压力容器使用和检测单位，应特别注意盛装NaOH、H2S、液氨及烃类等易产生应力腐蚀介质的复合板压力容器设备的管理。不但要定期对内表面复合层焊缝及重点部位做详细的检测，对容器的外部也要进行检测，特别注意对复合板设备上封头外部焊缝的检测，定期检验和日常的宏观检验相结合。

检维修单位在对复合板压力容器修复前，首先应对缺陷的特征和分布进行实地勘察，了解反应介质对材料的影响，根据检验的结果，进行科学地分析，制定全面的修复方案。