塔里木油田的4 台高压气液分离器的制造质量分析

2020-11-29马小岗

科技与创新 2020年16期

马小岗

（江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏张家港 215600）

塔里木油田是中国的重要能源基地，某化机厂承接了油田炼化装置的4 台高压气液分离器的设计与制造任务。由于该设备使用工况严苛，设计选用Q345R+2205 双相不锈钢钢爆炸复合板，主要考虑2205 双相不锈钢（00Cr22Ni5Mo3N）是典型的含氮、超低碳、铁素体+奥氏体双相不锈钢，其组织中铁素体相和奥氏体相各约占50%，从而将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性，与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点。Q345R+2205 爆炸复合板因结合了基复层的优良性能而被广泛应用，但在压力容器的制造过程中，爆炸复合板热处理时既要兼顾基体的热处理又要兼顾覆层的热处理，对复层2205 的性能影响很大，因此设备的制造难度很大。

该高压气液分离器的设计参数如下：设计压力11 MPa、直径1 600 mm、筒体厚度60 mm+4 mm，封头厚度68 mm+4 mm。主材选用Q345R+2205 双相不锈钢爆炸复合板，接管法兰有2205 锻件和16Mn 锻件堆焊2209 的两种，基层焊接完成进行射线检测，复层焊接完成后进行表面无损检测，要求焊后热处理。执行TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[1]，制造标准为GB 150—2011《压力容器》[2]，焊接执行NB/T 47015—2011《压力容器焊接规程》[3]，热处理执行GB/T 30583—2014《承压设备焊后热处理规程》[4]。

1 气液分离器制造过程中主要部件的质量问题

1.1 接管法兰

在图纸和技术条件中未要求2205 锻件复验，为保证制造质量，制造厂在法兰锻件的进厂检验中增加金相检验，发现2205 锻件未经1 050 ℃固溶处理，成形后直接冷却。

对堆焊2209 的16Mn 锻件，在堆焊过渡层后进行520～540 ℃×1 h 的热处理，然后堆焊面层。接管法兰与筒体相焊后，随筒体又进行530～540 ℃×2.2 h 的热处理。

现有的焊接工艺评定在面层堆焊好后未进行热处理，不能覆盖产品。

1.2 筒体

4 台设备的筒体纵、环焊缝焊接完成后，按照GB 150.4—2011《焊后热处理》中8.2.2.1 条款的规定，壁厚达到消除焊接残余应力热处理的要求，但这种热处理会影响2205 钢的耐蚀性。

制造厂为了加快复层的冷却速度，产品未进行整体热处理，5 个筒节焊成的筒体（暂不组装封头）探伤合格后就入炉进行热处理。热处理规范为530～550 ℃，保温2.2 h 后立即出炉，用2 台电风扇对准筒体内侧吹强风。经现场对筒体外壁温测量，从出炉到外壁温冷至400 ℃，约17 min，计算其冷却速度为423 ℃/h。筒体热处理后，封头与筒体组对、焊接，然后进行局部热处理。考查筒体的热处理，存在以下问题：①气液分离器的设计压力为11 MPa，按照TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，高压容器必须进行整理热处理，而该设备封头与筒体的2 条环缝是局部热处理。②Q345R 的热处理问题一般在600 ℃左右，现在采用530～540 ℃的热处理温度，是否合适？③为了考虑2205 的性能，从530～540 ℃直接出炉，并采用强风冷却方式使其快速冷却423 ℃/h。这两点虽经设计院同意，但均不符合有关标准的规定。如此快的冷却速度，会使筒体产生新的热应力，可能导致筒体的薄弱部位（如基层和复层的交界面）产生缺陷或使原缺陷扩展。

1.3 封头

4 台设备的8 个封头采用热压成形后空冷。按照设计文件要求，基材Q345R 原为正火状态，热压超过正火温度，必须重新正火。设计院为了顾及2205 的性能，要求制造方先后经过两三次固溶热处理（加热到1 030 ℃，保温30 min）。这对爆炸复合时韧性已受损的基材，是否会加重损伤？

第一次固溶时，由于热电偶未设置在封头上，加热温度不够。固溶后在封头多余的直边段取样试验，出现以下情况：①为将有一定弧度的直边段压平，不料2205 复层全部断裂，此时，测定基材Q345R 的冲击功，出现低值；②沿着基材厚度方向进行硬度测试，紧靠交界面Q345R 侧的硬度有一点高达256HB，其余正常；③金相观察发现2205 复层上有较多的析出相，靠近交界面的基层局部出现粒状贝氏体硬化组织（正常组织应为铁素体和珠光体）；④复层2205 的腐蚀试验不合格。

2 解决措施

2.1 接管法兰

对2205 锻件的接管法兰全部加热到1 050 ℃左右，重新固溶处理，检测合格后与筒体相焊；对Q345R 面层堆焊2209 的接管，重新需补做相应的焊接工艺评定。

2.2 筒体

为使了筒体复层快冷，对设备进行了分段热处理，筒体与封头的环缝只能进行局部热处理，其规范与筒体相同。关于热处理温度和时间，近年来，随着材质的改善，国外对C-Mn 钢的热处理温度的下限在降低，例如AD 规范、ISO11-2694 和日本HPIS-E108，热处理温度下限为550 ℃；法国 COPAD 为 530～580 ℃。中国 HG/T 20584—2011[5]标准规定，Q345R 复合板的热处理温度为550 ℃，且保温期间，温度偏差为±25 ℃。因此Q345R 复合板的热处理温度要求比基层低，有利于防止和减少2205 析出脆性相。

查NBT 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》表1 可知，Q345R 属于Fe-Ⅰ材料，根据GB/T 30583—2014《承压设备焊后热处理规程》表1 对焊后热处理规范参数的要求，Q345R 的热处理最低保温温度为600 ℃，降低热处理温度必须延长相应的热处理保温时间，根据GB/T 30583—2014《承压设备焊后热处理规程》表2，降低30 ℃需要延长保温时间2 h，与HG/T 20584—2011《钢制化工容器制造技术规定》的要求一致。但实际的保温时间延长不足，会影响复合板残余应力的消除效果，至于影响有多严重有待进一步试验和实践证明。

筒体从500 ℃以上的高温出炉，并采用强风冷却，所产生温差应力无法测定，它对钢材基层/复层交界面（金相组织已很复杂）原有微裂纹或其他缺陷是否有影响？

为了解决上述疑虑，决定附加以下检测项目：①在筒体外侧进行一定比例的UT 检测，检查基层/复层交界面的质量情况；②从外侧对所有焊缝进行100%的UT 检测，检查焊缝和基层/复层交界面的质量；③对筒体内表面进行一定比例的PT 检测，检查2205 的质量。

2.3 封头

封头上重新设置热电偶后，对8 个封头经第二次固溶处理。根据GB150.4—2011 标准的规定，当要求材料的使用热处理状态与供货热处理状态一致时，在制造过程中如果改变了供货的热处理状态，需要重新进行热处理，应带母材试板。其中有4 个封头本体有接管开孔，在开孔处取样。被检的4个封头中，有3 个封头各项性能试验合格；有1 个封头的延伸率（为14%）和面弯（沿宽度复层开裂）不合格，封头经过第三次固溶处理后，各项性能试验合格。

根据设计文件的要求，只要封头母材试板的受热情况能够模拟整个封头的制作工艺过程，即可用该试板进行耐腐蚀试验。

对4 个无法从本体上取样的封头，以同材质、同厚度、同受热状态的试板性能代替，经试验合格。按照ASME A923C 法进行点蚀试验，没有发现明显的腐蚀痕迹，基本合格。