楊俊才

（青海云天化國際化肥有限公司，青海湟中 811600）

1 概述

200kt/a 合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐爐管系統(tǒng)主要由四組豎琴管排組成，每組豎琴管排各有四十四根轉(zhuǎn)化管、一根上升管和一根下集氣管；一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管排長期處于800℃以上高溫運行狀態(tài)，且因各種突發(fā)原因容易出現(xiàn)開車升溫過快、緊急（聯(lián)鎖）停車急速降溫、催化劑問題局部超溫等問題，這些問題極易造成轉(zhuǎn)化管、上升管和下集氣管出現(xiàn)蠕變、變形、彎曲，焊縫區(qū)域出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)焊縫開裂、轉(zhuǎn)化管爆管等缺陷；在役設(shè)備長期在高溫下運行，金屬材料蠕變損傷、晶粒粗大材質(zhì)劣化，缺陷修復難度非常大。以200kt/a 合成氨裝置一段轉(zhuǎn)化爐為例，每根轉(zhuǎn)化管有5道對接焊縫，每根上升管有5道對接焊縫，每根下集氣管有2道對接焊縫、45道角焊縫，四組豎琴管排重要焊縫有1 088道；一旦出現(xiàn)問題，檢測、修復工作量非常大，嚴重影響裝置安全長周期運行，現(xiàn)將歷年豎琴管焊縫修復及使用情況進行說明，總結(jié)成功經(jīng)驗，為類似在役設(shè)備焊縫缺陷修復提供技術(shù)借鑒。

2 歷年豎琴管焊縫檢修及使用情況說明

本公司現(xiàn)有兩套200kt/a 合成氨裝置，一期自2010年7月、二期自2011年7月投產(chǎn)運行，兩套裝置都是由中國成達工程有限公司設(shè)計并總包建造，豎琴管排參數(shù)、材料及規(guī)格見表1，管排結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 豎琴管參數(shù)、材料及規(guī)格

一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管排焊縫缺陷主要自2017年爆發(fā)性出現(xiàn)，具有普遍性、整體性特點；2017年5月，二期一段轉(zhuǎn)化爐運行過程中發(fā)現(xiàn)第四排豎琴管下集氣管一條對接焊縫處有藍色火焰，判斷焊縫有貫穿性缺陷，介質(zhì)泄漏燃燒產(chǎn)生藍色火焰，裝置停車緊急搶修；2017年8月計劃停車，二期一段轉(zhuǎn)化爐豎琴焊縫預防性檢查，發(fā)現(xiàn)同5月份一樣缺陷較多，進行檢修；2018年3月，二期一段轉(zhuǎn)化爐運行過程中發(fā)現(xiàn)第一排豎琴管下集氣管一條對接焊縫處有藍色火焰，緊急停車搶修；2018年11月冬季限氣停車，一期、二期預防性檢查同樣存在焊縫缺陷。

圖1 管排結(jié)構(gòu)圖

2.1 三期一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管歷年檢查焊縫缺陷統(tǒng)計

焊縫缺陷統(tǒng)計見表2。

表2 焊縫缺陷統(tǒng)計表

2.2 焊縫缺陷類型

一種是下集氣管對接焊縫熔合線處貫穿性裂紋，自外向內(nèi)延伸，直至貫穿，打磨PT 檢測合格后焊縫；另一種是下集氣管上管臺連接角焊縫熔合線淺表裂紋，同樣自外向內(nèi)延伸，但沒有貫穿，深度都在8mm 以內(nèi)，打磨PT 檢測合格后焊縫。

2.3 修復方案簡述

（1）2017 年5 月至2018 年3 月，采用PT 對焊縫進行檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷打磨后PT 檢測I 級合格，豎琴管內(nèi)充99%以上純度氮氣置換，保持微正壓，氬弧焊接，焊材選用φ2mm～φ2.4mm ERNiCr-3焊絲，底層及第二層電流80～95A，填充層及蓋面層電流90～100A，修復后焊縫，焊接完成24h 后進行PT 檢測；但檢修過程中經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：

①局部焊接的角焊縫有新增裂紋延熔合線出現(xiàn)延伸的情況；有的角焊縫局部焊接對稱方位熔合線出現(xiàn)新增裂紋，或者當次PT 檢測合格，但在下一次檢測時出現(xiàn)如上情況。

②對接焊縫修復后在熔合線還是出現(xiàn)裂紋，或者當次PT檢測合格，但下一次檢測又出現(xiàn)裂紋。

（2）經(jīng)過深入分析和探討，就檢修單方面原因，產(chǎn)生新增裂紋的主要因素有：

①缺陷打磨前沒有對管排進行有效的支撐、限位和固定，在打磨缺口位置形成應力，同時焊接產(chǎn)生熱應力，局部修復位置熔合線和熔合線延伸方向容易產(chǎn)生裂紋。

②在役管排長期高溫運行，材質(zhì)有劣化趨勢，有些焊縫多次焊接造成劣化更為嚴重，材料機械性能和焊接性能下降，完好原材料焊接工藝不能使用于在役設(shè)備，焊接應力造成裂紋產(chǎn)生。

③PT 檢測是表面檢測，不能發(fā)現(xiàn)焊接時產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷，這些內(nèi)部缺陷運行過程中擴展，從而在運行或下次檢查時被發(fā)現(xiàn)。

④焊接修復位置延伸和對稱位置應力集中，當時溫度低材料許用應力大，但在高溫運行過程中許用應力降低、內(nèi)部介質(zhì)壓力等因素在應力集中位置產(chǎn)生裂紋。

3 豎琴管焊縫修復技術(shù)總結(jié)

針對豎琴管焊縫修復過程中出現(xiàn)的問題，2018年11月邀請行業(yè)專家、公司專業(yè)領(lǐng)導等進行了專題探討，深入剖析了以往檢修過程中存在的不足，也汲取了歷年在役設(shè)備維修成功經(jīng)驗，對豎琴管焊縫修復方案進行了優(yōu)化。2018年11月按優(yōu)化方案實施檢修，2019年11月復檢二期管排出現(xiàn)1處缺陷，經(jīng)分析是2018年11月遺留缺陷未消除，之后按優(yōu)化方案進行了修復；復檢一期管排出現(xiàn)2處新增缺陷，相對2018年11月減少了98.5%；實踐驗證優(yōu)化后方案完全適用于在役一段轉(zhuǎn)化爐管排焊縫缺陷修復，對優(yōu)化后方案總結(jié)提煉，關(guān)鍵技術(shù)要點如下：

1）對接焊縫采用PT+RT 檢測方式，先進行RT 檢測，超出II 級的缺陷全部修復，特別是裂紋必須消除。

2）對角焊縫采用PT 檢測，檢測發(fā)現(xiàn)缺陷時需打磨氧化皮進行確認。

3）缺陷打磨前必須將彈簧吊架限位，同時在下集氣管底部用千斤頂?shù)戎?，?shù)量不少于3處，應可能消除外部應力。

4）角焊縫裂紋缺陷，清理焊縫打磨處兩側(cè)各20mm 范圍內(nèi)的油、水等雜物，打磨消除缺陷，打磨后長度超過焊縫總長度1/3的，需對另2/3焊縫打磨清除氧化層，整圈進行焊接。

5）缺陷打磨后需PT 檢測合格，焊前對焊接位置進行預熱，焊縫兩側(cè)各150mm 范圍內(nèi)金屬整體溫度保持在15℃以上焊接（預熱需均勻）。焊接時需采取兩人同時對稱焊接方式，焊接參數(shù)（電流、焊接速度、焊道厚度等）保持一致，以保證焊縫應力均勻。打底層焊接完成后需用奧氏體不銹鋼（不低于304材質(zhì)）小錘進行敲擊，消除焊接應力，防止焊縫開裂，宏觀檢查無缺陷，溫度降至要求范圍時進行PT 檢測，無缺陷進行下一層焊接，若有缺陷需整體打磨后按上述要求重新進行處理。打底層焊接檢測合格后開始第二層焊接，每層焊接時起弧和收弧點不能重疊，焊道厚度不宜超過2mm，起弧和收弧位置需打磨檢查后方可進行下一層焊接，層間清渣徹底，嚴格控制層間溫度＜150℃，收弧時應采用反向收弧技術(shù)，以免產(chǎn)生弧坑裂紋，每層焊接完成后均需用奧氏體不銹鋼小錘進行敲擊消除焊接應力。蓋面層焊接完成后需對焊縫整體加熱至250～300℃，并用保溫棉包扎保溫（保溫棉厚度不低于100mm），以消除焊接應力。

6）貫穿缺陷打磨長度超過焊縫總長度1/2時，需在缺口中心位置進行點焊加固；超過2/3時對稱選擇點焊兩點加固；若全部開裂，需提前選擇對稱點焊4點進行加固，防止變形。焊接時需符合上述要求，兩人對稱焊接，點焊加固位置需逐一打磨清理消除缺陷。貫穿性缺陷焊接時管道內(nèi)需充氮氣保護。

7）消除應力熱處理完成，環(huán)境溫度放置24h 后進行無損檢測，對接焊縫RT 檢測II 級合格，角焊縫PT 檢測I 級合格。

4 結(jié)束語

主要對在役一段轉(zhuǎn)化爐豎琴管排焊縫修復成功經(jīng)驗進行了提煉和總結(jié)，對同類在役設(shè)備、管道維修提供技術(shù)借鑒；但要保證一段轉(zhuǎn)化爐一臺設(shè)備，整個化工裝置，整個生產(chǎn)鏈安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行，最關(guān)鍵還是要嚴格遵循安全操作規(guī)程和標準化作業(yè)指導書，精細控制、精心操作、平穩(wěn)生產(chǎn)；同時，各專業(yè)要準確、詳盡收集數(shù)據(jù)，科學、深入分析評估設(shè)備性能和隱患缺陷，及時處理解決隱患缺陷，計劃性、預防性做好周期性維護，保持裝備安全可靠性能完好。