甲烷化炉定期检验问题思考
2023-03-14周继光
周继光
(四川省化工建设工程质量安全监督站, 成都 610500)
甲烷化炉是合成氨装置净化工序的主要设备。出变换工段的工艺气经冷却分离后进入CO2吸收塔，再去甲烷化炉进一步净化处理，为合成氨提供净化气，要求有效气(CO+CO2)质量分数≤0.7%[1]。
1 基本概况
四川某化工企业的甲烷化炉由中国成达化学工程公司设计，2004年7月由自贡高压容器厂制造，设计压力为3.48 MPa，设计温度为454 ℃，内径为2 400 mm，壁厚为48 mm，容积为19.3 m3，筒体封头材质均为15CrMoR。介质为甲烷化气(主要包括CO、CO2、H2)，内装镍系催化剂KJ108-2，外有硅酸盐保温层，厚度为80 mm。使用过程中，未曾有修理记录。2016年，定期检验压力容器时，该甲烷化炉安全等级为3级。投用至今，虽经历多次定期检验，但都未对内部进行检测。主要焊缝布置见图1。
2 事情经过
适逢更换甲烷化炉内部触媒，于是厂方根据TSG 21—2016 《固定式压力容器安全监察规程》要求，结合设备的现场条件、结构特点、失效模式制定了定期检验方案，经相关人员审批后实施[2]。当对其内部纵环焊缝进行100%荧光磁粉探伤时，在B1、B3环缝上各发现了两处裂纹痕迹(图2)。打磨上封头环缝上两处裂纹表面，当深度约为1.5 mm时，裂纹消除。这两处裂纹相距2 166 mm，分别呈横向、星型放射状分布。打磨下封头环缝上两处裂纹表面，当深度约为10 mm时，裂纹还未消除。这两处裂纹相距110 mm，均呈横向分布，垂直于焊缝方向(见图3)。测试两处缺陷之间母材、热影响区、焊缝处的硬度,分别为130 HB、190 HB、245 HB。
图1 甲烷化炉主要焊缝布置
(a) 上封头环缝处
(b) 下封头环缝处
随后又对该处母材及裂纹部位进行现场金相试验，结果为：缺陷附近处母材组织正常，未出现球化等现象；焊缝处组织均匀正常，未发现组织粗大等现象。该处裂纹放大200倍后的形貌见图4。
(a) 上封头环缝处
(b) 下封头环缝处
该裂纹经四川蓝星机械有限公司返修，打磨深度约为16 mm时,裂纹完全消除。
3 问题
查阅该台甲烷化炉制造资料，发现其制造时外观及几何尺寸、AB类焊缝100%射线探伤和100%超声波探伤、热处理、焊缝硬度、水压试验等全部合格，但射线探伤时采用的是Ir192γ源。说明此次磁粉探伤发现的裂纹应该属于使用过程中的新生裂纹缺陷，呈垂直焊缝的横向分布(见图5)。
图4 裂纹金相图
(a) 上封头环缝处
(b) 下封头环缝处
4 原因分析
封头与筒体相焊的环缝位置属于不连续部位，除了内压作用引起薄膜应力外，还存在不连续部位引起的局部应力，以及热膨胀受到限制引起的温差应力。这些应力对设备的安全性有不同的影响，比如焊接时易产生焊接残余应力。压力容器焊后热处理的目的就是消除焊接残余应力，以减少变形、稳定结构尺寸，以及改善焊缝和母材的性能[3]。缺陷处焊缝及其热影响区硬度较高，且与母材硬度差异较大，同时焊缝和母材金相组织完全正常，说明该焊缝在最后的热处理过程中存在质量瑕疵。经核查其原始热处理报告和曲线，发现原始热处理保温时长和保温温度稳定不够，导致焊缝环向应力较大。检测焊缝及母材里氏硬度，并了解设备服役情况，根据设备内介质等工况综合分析，认为该设备的焊缝存在较大焊接残余应力，焊缝间原始存在微小气孔等小缺陷；在氢环境下使用后，缺陷逐渐被扩大，产生了呈垂直焊缝、横向分布的新生裂纹缺陷。判断此裂纹为氢致裂纹。
5 思考和建议
5.1 设备使用单位
由于甲烷化过程属于强放热反应，炉内温度易升高。若进炉气体中CO、CO2含量偏高，易使催化剂超温，同时消耗过多的H2，也使进入合成工序的惰性气体含量增加。需要严格控制工艺参数，避免甲烷化炉内超温，避免甲烷化炉壳体超温，减缓壳体金属材料的劣化，延长催化剂的使用寿命，确保整个装置高效运行[4-5]。
5.2 设备定期检验单位
制定甲烷化炉的在用定期检验方案时，一定要重视设备内表面焊缝的新生裂纹，尽可能从设备内部进行检测；采取相关措施加强内表面裂纹的检测，确保设备的安全运行。
5.3 设备制造单位
制造时，除确保焊缝焊接质量外，还要控制热处理环节的质量。无论是整体热处理还是局部热处理，都应确保热处理焊缝的内应力能够真正被释放，保证焊缝硬度合格。对于厚壁容器，应该适当提高保温温度并延长保温时间。
6 结语
必须确保制造、使用、定期检验等各个环节的质量，如此设备才能长周期安全运行，从而获得更大的经济效益。
