变换炉堆焊层裂纹原因分析和埋藏缺陷安全评定
2014-05-05王志亮宋高峰王应植许力伟
王志亮，马 歆，宋高峰，王应植，许力伟
(江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏南京，210036)
变换炉是合成氨装置中的反应容器，煤气中的一氧化碳在400℃左右的温度下，借助催化剂的作用，与水蒸汽进行变换反应，生成二氧化碳和氢气，制得所需要的混合煤气［1］。由于操作温度较高，且介质中含有氢气，变换炉属于典型的高温临氢设备，存在氢腐蚀、回火脆化、蠕变、连多硫酸腐蚀等损伤机理［2-4］，制造时多采用复合板材料，基材多为Cr-Mo抗氢钢，内衬不锈钢［5-7］。某公司一台变换炉在2011年停车检修时发现不锈钢堆焊层存在多条裂纹，筒体对接环缝存在一处超标的埋藏缺陷;较浅的裂纹已打磨消除，剩下2条堆焊层裂纹打磨未消除，埋藏缺陷未处理。为了探明裂纹产生的原因，在2012年更换触媒时对堆焊层进行了金相检测和腐蚀产物分析，并对含缺陷的变换炉进行了安全评定，为变换炉的安全运行提供技术支撑。
1 变换炉及其缺陷
1.1 变换炉的结构和参数
该变换炉于2004年按GB150—1998《钢制压力容器》设计并制造，2005年6月投入使用，基层材料为15CrMoR，筒体内表面、人孔和卸料孔堆焊层焊缝过渡层材料为 E309L-16，表层材料为E347L-16，筒体基层厚度为 88 mm，封头为50 mm，堆焊层厚度不小于5 mm，技术参数见表1。变换炉为立式结构，由上下球型封头、筒体、人孔和卸料孔等部件组成。
表1 变换炉技术参数Table 1 Technical parameters of conversion furnace
1.2 变换炉的缺陷
大修时对变换炉进行了渗透检测(PT)和超声波检测(UT)，在焊缝堆焊层表面发现了裂纹，在对接环缝发现了埋藏缺陷，缺陷的位置、性质和程度见表2。
表2 变换炉缺陷统计数据Table 2 Defects of conversion furnace
2 堆焊层裂纹原因分析
2.1 金相检测和腐蚀产物分析
2012年更换触媒时对堆焊层裂纹部位进行了金相检测。在未侵蚀前，先用复型膜将裂纹形貌复制下来，然后在金相显微镜下观察，裂纹呈弯曲状，在裂纹间隙中存有灰色的夹渣物(见图1)。
图1 未浸蚀前裂纹形貌Fig.1 Crack morphology before etching
用王水溶液侵蚀后，再用复型膜将裂纹形貌复制下来，在金相显微镜下观察，裂纹均发生在焊缝区域，裂纹尾部呈现出沿奥氏体晶界分布的网状裂纹(见图2)。焊缝完好部位的金相组织为奥氏体加岛状铁素体，金相组织正常(见图3)。
图2 浸蚀后裂纹形貌Fig.2 Crack morphology after etching
图3 正常部位金相组织Fig.3 Normal metallurgical structure
对裂纹处进行了腐蚀产物分析，结果表明:腐蚀产物中含有大量的硫元素和氧元素。
2.2 连多硫酸应力腐蚀
在炼油化工行业中，介质中含有H2S和活性硫，在高温无水的情况下，可直接与设备表面的金属铁发生化学反应而生成FeS，这些FeS在设备表面形成一层致密的膜，阻止了其他物料对设备表面的进一步腐蚀，对设备可起到一定的保护作用。但是当装置停车、降温并打开设备后，空气中含有的大量O2和水分与设备表面的FeS发生反应，便可生成连多硫酸［8］。对于敏化后的奥氏体不锈钢易引起应力腐蚀开裂，一般为晶间型开裂。这种开裂与奥氏体不锈钢在经历高温阶段时碳化铬在晶界析出，晶界附近的铬含量减少，形成局部贫铬区有关。晶间型开裂易发生在奥氏体不锈钢的敏化区域，开裂可能在短短几分钟或几小时内迅速扩展穿透管道和部件的壁厚。奥氏体不锈钢为连多硫酸应力腐蚀开裂的敏感材料。
2.3 堆焊层裂纹原因分析
变换炉的裂纹全部位于堆焊层表面，裂纹为沿晶开裂，腐蚀产物中含有大量的硫元素和氧元素，采用碱中和后未见新生裂纹，结合连多硫酸应力腐蚀开裂的机理可以推断出:由于焊接的影响，部分堆焊层金属发生了敏化，设备停车时由于水分和氧气进入变换炉内部，与FeS发生反应产生了连多硫酸，在焊接残余应力的作用下，堆焊层发生了开裂。在采用碱中和等保护措施后，停车后没有连多硫酸生成，因此，2012年大修后未见新生缺陷，也未见裂纹扩展。
3 埋藏缺陷安全评定
3.1 缺陷的表征
根据2012年的无损检测报告，在筒体环焊缝处发现一埋藏裂纹，裂纹长15 mm，深13 mm，高度未知。参照检验结果和GB/T19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》的规定，该裂纹可简化为椭圆形型埋藏裂纹(见图4)。
图4 裂纹规则化示意Fig.4 Diagrammatic sketch of crack after regularization注:B为评定壳体的计算厚度，mm;p1和p2为埋藏缺陷距离壳体两表面的距离，mm;a为平面缺陷规则化后的表征裂纹尺寸，此处为椭圆化后短轴长度的一半，mm;c为表征椭圆埋藏裂纹长轴半长，mm。
裂纹高度2a=10 mm，已知埋藏裂纹深度p1=13mm，壳体厚度 B为88 mm，则 p2=65 mm。对于失效后果严重的情况，缺陷尺寸取1.1的分安全系数，因此，a=5.5 mm，c=8.25 mm。
3.2 应力确定
在缺陷安全评定中的应力都是指缺陷部位假设缺陷不存在时的原场应力，而不是应力强度，平面缺陷评定时所需的应力是壳体截面(缺陷平面)上的法向应力，应按弹性材料行为假设求得。一次薄膜应力是由内压引起的:Pm=PD/2B式中:Pm——一次薄膜应力，MPa;
P——设计压力，MPa;D——壳体内径，mm;
B——评定壳体的计算厚度，mm。
一次弯曲应力PD忽略不计，即:PD=0 MPa;二次应力主要考虑焊接残余应力，当B≥25 mm:
式中:Qb——二次弯曲应力，MPa;
Qm——二次薄膜应力，MPa;
考虑到失效后果的严重性，各类应力均乘以分安全系数，一次应力的分安全系数为1.5，二次应力的分安全系数为1.0，得到评定计算的应力。评定应力见表3。
表3 评定应力Table 3 Evaluate stress
3.3 安全评定
根据缺陷的尺寸和评定应力，按GB/T19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》计算得到一次应力引起的强度因子(KPI)，二次应力引起的强度因子(KSI)，载荷比(Lr)和断裂比(Kr)，见表4。材料延性断裂韧度由文献［9］方法得到。
表4 安全评定参数计算结果Table 4 Calculate results of safety evaluate parameters
平面缺陷的常规评定采用通用失效评定图的方法进行。失效评定曲线(FAC)的方程为:
将计算得到的载荷比和断裂比所构成的评定点绘制在常规评定通用失效评定图中，见图5。由图5可以看出，在设计载荷下，缺陷的评定点位在评定曲线的安全区内，在缺陷没有扩展的情况下，变换炉是安全的。
考虑裂纹扩展，经计算，当裂纹深度达到a为10 mm，长度 2c为 400 mm 时，Lr为 1.008，Kr为0.271，评定结果仍然安全;
图5 评定点在失效评定图中位置Fig.5 Position of evaluate point in FAD
当深度a为17 mm，长度2c为440 mm时，Lr为1.141，Kr为0.363，达到临界裂纹尺寸。
4 结论
对变换炉焊缝堆焊层裂纹进行了金相检验和腐蚀产物分析，并对埋藏缺陷进行了安全评定，结合变换炉的结构、清洗工艺和检验历史，得到如下结论:
(1)金相检验结果表明，焊缝堆焊层裂纹为沿晶裂纹，裂纹成网状;
(2)裂纹由连多硫酸应力腐蚀产生;
(3)对接环缝埋藏缺陷的评定点均位于评定曲线的安全区内，在缺陷未扩展的情况下，变换炉是安全的;
(4)考虑埋藏缺陷扩展，当裂纹高度达到a为10 mm，长度2c为400 mm时，评定结果仍然安全;当深度a为17 mm，长度2c为440 mm时，达到临界裂纹尺寸。
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