一段转化炉竖琴管排焊缝缺陷修复技术总结

杨俊才

（青海云天化国际化肥有限公司，青海湟中 811600）

1 概述

200kt/a 合成氨装置一段转化炉炉管系统主要由四组竖琴管排组成，每组竖琴管排各有四十四根转化管、一根上升管和一根下集气管；一段转化炉竖琴管排长期处于800℃以上高温运行状态，且因各种突发原因容易出现开车升温过快、紧急（联锁）停车急速降温、催化剂问题局部超温等问题，这些问题极易造成转化管、上升管和下集气管出现蠕变、变形、弯曲，焊缝区域出现裂纹，甚至出现焊缝开裂、转化管爆管等缺陷；在役设备长期在高温下运行，金属材料蠕变损伤、晶粒粗大材质劣化，缺陷修复难度非常大。以200kt/a 合成氨装置一段转化炉为例，每根转化管有5道对接焊缝，每根上升管有5道对接焊缝，每根下集气管有2道对接焊缝、45道角焊缝，四组竖琴管排重要焊缝有1 088道；一旦出现问题，检测、修复工作量非常大，严重影响装置安全长周期运行，现将历年竖琴管焊缝修复及使用情况进行说明，总结成功经验，为类似在役设备焊缝缺陷修复提供技术借鉴。

2 历年竖琴管焊缝检修及使用情况说明

本公司现有两套200kt/a 合成氨装置，一期自2010年7月、二期自2011年7月投产运行，两套装置都是由中国成达工程有限公司设计并总包建造，竖琴管排参数、材料及规格见表1，管排结构见图1。

表1 竖琴管参数、材料及规格

一段转化炉竖琴管排焊缝缺陷主要自2017年爆发性出现，具有普遍性、整体性特点；2017年5月，二期一段转化炉运行过程中发现第四排竖琴管下集气管一条对接焊缝处有蓝色火焰，判断焊缝有贯穿性缺陷，介质泄漏燃烧产生蓝色火焰，装置停车紧急抢修；2017年8月计划停车，二期一段转化炉竖琴焊缝预防性检查，发现同5月份一样缺陷较多，进行检修；2018年3月，二期一段转化炉运行过程中发现第一排竖琴管下集气管一条对接焊缝处有蓝色火焰，紧急停车抢修；2018年11月冬季限气停车，一期、二期预防性检查同样存在焊缝缺陷。

图1 管排结构图

2.1 三期一段转化炉竖琴管历年检查焊缝缺陷统计

焊缝缺陷统计见表2。

表2 焊缝缺陷统计表

2.2 焊缝缺陷类型

一种是下集气管对接焊缝熔合线处贯穿性裂纹，自外向内延伸，直至贯穿，打磨PT 检测合格后焊缝；另一种是下集气管上管台连接角焊缝熔合线浅表裂纹，同样自外向内延伸，但没有贯穿，深度都在8mm 以内，打磨PT 检测合格后焊缝。

2.3 修复方案简述

（1）2017 年5 月至2018 年3 月，采用PT 对焊缝进行检测，发现缺陷打磨后PT 检测I 级合格，竖琴管内充99%以上纯度氮气置换，保持微正压，氩弧焊接，焊材选用φ2mm～φ2.4mm ERNiCr-3焊丝，底层及第二层电流80～95A，填充层及盖面层电流90～100A，修复后焊缝，焊接完成24h 后进行PT 检测；但检修过程中经常出现如下问题：

①局部焊接的角焊缝有新增裂纹延熔合线出现延伸的情况；有的角焊缝局部焊接对称方位熔合线出现新增裂纹，或者当次PT 检测合格，但在下一次检测时出现如上情况。

②对接焊缝修复后在熔合线还是出现裂纹，或者当次PT检测合格，但下一次检测又出现裂纹。

（2）经过深入分析和探讨，就检修单方面原因，产生新增裂纹的主要因素有：

①缺陷打磨前没有对管排进行有效的支撑、限位和固定，在打磨缺口位置形成应力，同时焊接产生热应力，局部修复位置熔合线和熔合线延伸方向容易产生裂纹。

②在役管排长期高温运行，材质有劣化趋势，有些焊缝多次焊接造成劣化更为严重，材料机械性能和焊接性能下降，完好原材料焊接工艺不能使用于在役设备，焊接应力造成裂纹产生。

③PT 检测是表面检测，不能发现焊接时产生的内部缺陷，这些内部缺陷运行过程中扩展，从而在运行或下次检查时被发现。

④焊接修复位置延伸和对称位置应力集中，当时温度低材料许用应力大，但在高温运行过程中许用应力降低、内部介质压力等因素在应力集中位置产生裂纹。

3 竖琴管焊缝修复技术总结

针对竖琴管焊缝修复过程中出现的问题，2018年11月邀请行业专家、公司专业领导等进行了专题探讨，深入剖析了以往检修过程中存在的不足，也汲取了历年在役设备维修成功经验，对竖琴管焊缝修复方案进行了优化。2018年11月按优化方案实施检修，2019年11月复检二期管排出现1处缺陷，经分析是2018年11月遗留缺陷未消除，之后按优化方案进行了修复；复检一期管排出现2处新增缺陷，相对2018年11月减少了98.5%；实践验证优化后方案完全适用于在役一段转化炉管排焊缝缺陷修复，对优化后方案总结提炼，关键技术要点如下：

1）对接焊缝采用PT+RT 检测方式，先进行RT 检测，超出II 级的缺陷全部修复，特别是裂纹必须消除。

2）对角焊缝采用PT 检测，检测发现缺陷时需打磨氧化皮进行确认。

3）缺陷打磨前必须将弹簧吊架限位，同时在下集气管底部用千斤顶等支撑，数量不少于3处，应可能消除外部应力。

4）角焊缝裂纹缺陷，清理焊缝打磨处两侧各20mm 范围内的油、水等杂物，打磨消除缺陷，打磨后长度超过焊缝总长度1/3的，需对另2/3焊缝打磨清除氧化层，整圈进行焊接。

5）缺陷打磨后需PT 检测合格，焊前对焊接位置进行预热，焊缝两侧各150mm 范围内金属整体温度保持在15℃以上焊接（预热需均匀）。焊接时需采取两人同时对称焊接方式，焊接参数（电流、焊接速度、焊道厚度等）保持一致，以保证焊缝应力均匀。打底层焊接完成后需用奥氏体不锈钢（不低于304材质）小锤进行敲击，消除焊接应力，防止焊缝开裂，宏观检查无缺陷，温度降至要求范围时进行PT 检测，无缺陷进行下一层焊接，若有缺陷需整体打磨后按上述要求重新进行处理。打底层焊接检测合格后开始第二层焊接，每层焊接时起弧和收弧点不能重叠，焊道厚度不宜超过2mm，起弧和收弧位置需打磨检查后方可进行下一层焊接，层间清渣彻底，严格控制层间温度＜150℃，收弧时应采用反向收弧技术，以免产生弧坑裂纹，每层焊接完成后均需用奥氏体不锈钢小锤进行敲击消除焊接应力。盖面层焊接完成后需对焊缝整体加热至250～300℃，并用保温棉包扎保温（保温棉厚度不低于100mm），以消除焊接应力。

6）贯穿缺陷打磨长度超过焊缝总长度1/2时，需在缺口中心位置进行点焊加固；超过2/3时对称选择点焊两点加固；若全部开裂，需提前选择对称点焊4点进行加固，防止变形。焊接时需符合上述要求，两人对称焊接，点焊加固位置需逐一打磨清理消除缺陷。贯穿性缺陷焊接时管道内需充氮气保护。

7）消除应力热处理完成，环境温度放置24h 后进行无损检测，对接焊缝RT 检测II 级合格，角焊缝PT 检测I 级合格。

4 结束语

主要对在役一段转化炉竖琴管排焊缝修复成功经验进行了提炼和总结，对同类在役设备、管道维修提供技术借鉴；但要保证一段转化炉一台设备，整个化工装置，整个生产链安、稳、长、满、优运行，最关键还是要严格遵循安全操作规程和标准化作业指导书，精细控制、精心操作、平稳生产；同时，各专业要准确、详尽收集数据，科学、深入分析评估设备性能和隐患缺陷，及时处理解决隐患缺陷，计划性、预防性做好周期性维护，保持装备安全可靠性能完好。