程建民

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

煙氣輪機(簡稱煙機)入口管線是煉油廠催化裂化裝置中由第三級旋風分離器(簡稱三旋)通向煙機的高溫熱壁管線，其典型材質為S30408，典型的操作壓力為0.2～0.3 MPa，操作溫度為650～700 ℃，并伴有短時超溫；對于中、大型裝置，其直徑介于1 500～2 000 mm之間。該管線為高溫熱壁管線，結構復雜，易發(fā)生各種各樣的失效，由此造成的緊急停車事故并不罕見。在各種失效中危害最大、最常見的是焊縫開裂，見圖1和圖2。引起焊縫開裂的原因十分復雜，不同裝置間也不盡相同，提出標準答案是不現(xiàn)實的。本文列出一些設計、焊接材料、焊接施工及操作方面的影響因素和作業(yè)要求供一線操作和維護人員參考，以使其對引起焊縫開裂的原因有所認識并采取措施，避免重大事故的發(fā)生。其中的一些原理和原則同樣適用于相同材質、服役環(huán)境類似的高溫內件，可供一線人員一并參考。

圖1 焊縫裂紋

圖2 環(huán)焊縫裂紋

1 設計因素

1.1 設計準則

關于設計準則，因管線操作溫度處于材料蠕變溫度范圍內，與處于蠕變溫度閾值以下服役的設備不同，其壽命取決于所考慮部位的實際操作溫度和實際應力水平。對于煙機入口管線，如果按照短時最高不正常操作溫度確定設計溫度和選材，則既不經(jīng)濟也沒必要。考慮實際超溫的影響，或設計者主動設置裝置每年有一定小時數(shù)的超溫時長，則需在設計時考慮工況偏移。通常是采用基于斷裂應力強度的線性壽命分數(shù)法修正設計許用應力。超溫工況偏移對最小設計壁厚有影響，進而會影響焊縫的設計強度。超溫幅度、時數(shù)越多，影響越大。

1.2 應力集中

應力集中是設計要考慮的另一個問題。應力集中處的局部應力往往高出主應力很多，按照斷裂壽命折算的這些部位的設計壽命就會明顯縮短。表1列舉了設計溫度為685 ℃時，S30408最小斷裂強度增量對設計壽命的影響，可作為應力變化影響設計壽命變化幅度的參考。從表1中可看出，最小斷裂強度只增加了18%，而理論壽命卻減少了75%，可見減少應力集中對于服役于蠕變溫度范圍內設備的重要性。這也驗證了API 571中關于蠕變/應力斷裂“一般而言，溫度升高12 ℃或者應力增加15%會視合金的不同減少金屬剩余壽命的一半或更多”的描述【1】。

表1 S30408設計壽命和最小斷裂強度增量的關系

引起應力集中的原因有形狀突變、結構不連續(xù)和溫差應力等，常見的情形和改進措施舉例如下：

1)三旋出口處將直角彎頭改為蝦米腰彎頭，避免三通處應力集中，見圖3；

圖3 直角彎頭改為蝦米腰彎頭

2)變徑段將無折邊結構改為有折邊結構，降低由于形狀突變引起的局部應力集中，見圖4；

圖4 無折邊變徑段改為有折邊變徑段

3)將熱壁膨脹節(jié)的盲板力承力組件直接與筒體焊接的結構改為浮動環(huán)結構或局部柔性結構，減小溫差應力并避免應力遷移，見圖5和圖6；

圖5 直焊承力組件改為浮動環(huán)承力組件

圖6 直焊承力組件和浮動環(huán)承力組件實例

4)在外保溫間斷處往往含有環(huán)焊縫，此處保溫要設置過渡段，使其形成溫度梯度，避免溫差應力，見圖7。

圖7 保溫間斷和保溫過渡段

1.3 強度降低系數(shù)

對于實際操作溫度處于蠕變范圍的焊接受壓件，當計算內壓所需厚度以及計算對持續(xù)性載荷引起的軸向應力進行評定時的許用應力時，還應計及焊接接頭的強度降低系數(shù)。這是因為一些相關實驗測定的焊縫蠕變破壞強度低于母材的蠕變破壞強度。具體系數(shù)的數(shù)值取決于不同材料和焊材的組合，還與高溫服役時長有關。針對具體母材和焊材去規(guī)定各自的系數(shù)是不現(xiàn)實的，除非已經(jīng)進行了相關焊材、溫度和時長的蠕變斷裂性能測試。所以ASME B31.3就采用了簡單的辦法，將焊接接頭強度降低系數(shù)按線性變化規(guī)律由510 ℃時的1.0逐步降至816 ℃時的0.5【2】，見表 2。但也有數(shù)據(jù)表明，即使表2中的系數(shù)在某些組合中仍然偏大，如S30408使用E308等為填充金屬，在675 ℃經(jīng)10萬h時長后的強度降低系數(shù)為0.58【3】。而在BS EN13445中的規(guī)定要復雜得多，一般情況下取0.8【4】。這些系數(shù)是設計時獨立于焊縫質量系數(shù)之外的另一個需要考慮的因素，尚需設計者根據(jù)工程經(jīng)驗謹慎選擇。

表2 焊接接頭的強度降低系數(shù)

2 焊接材料的要求

2.1 σ相析出與控制

煙機入口管線的常用材質是S30408(C≥0.04%)，其母材及焊縫金屬長期在 650～700 ℃高溫環(huán)境中運行。該運行溫度恰好處于金屬間相 σ 相的析出溫度區(qū)間。圖8為經(jīng)過1個周期(4年)運行后，E308H焊縫金屬材料金相析出物形貌。從圖8中可以看出，在鐵素體上分別析出大量的針狀或塊狀析出物——脆性σ相。

圖8 焊縫金屬材料金相析出物形貌

σ相硬而脆，在奧氏體鋼或焊接接頭中出現(xiàn)少量σ相就會使其韌性和塑性急劇下降。σ相的析出使焊縫變脆，從而引發(fā)蠕變延展性大幅降低。通過對事故焊縫進行采樣測定發(fā)現(xiàn)，一些樣品的常溫沖擊功甚至為零，一旦出現(xiàn)裂紋就會迅速擴大，釀成事故。

σ相形成的基本條件有兩個。一是成分條件，通常只有Cr含量大于16%才會析出σ相。σ相可由奧氏體直接形成，或者由鐵素體形成，但鐵素體中σ相的形成比奧氏體中 σ相的形成快約100倍，且合金中 δ鐵素體的存在會加速奧氏體中σ相析出。二是溫度條件，在 600～900 ℃溫度區(qū)間停留是σ相形成的充分條件，二者缺一不可【5】。為此，對于高溫范圍持久服役的奧氏體耐熱鋼焊接接頭中的σ相可以從以下兩個方面進行控制。首先是對所需元素進行量的調整和控制，保證形成奧氏體加少量δ鐵素體焊縫組織，即在一定抗裂性前提下，盡量控制焊縫中δ鐵素體含量。成分匹配時嚴格控制加速σ相形成的元素，如 Mo、Si、Nb 等；適當降低 Cr含量并提高 Ni 含量；適當添加 N、Cu元素，以最終獲得δ鐵素體含量很少(鐵素體數(shù)FN=3～8)的熔敷金屬。匹配成分時可使用WRC-1992圖預測焊縫中鐵素體的大致含量。其次是焊接熱輸入的控制。基于σ相形成溫度因素控制原理，可以采用低熱輸入和降低層間溫度的焊接方法及工藝措施，盡量縮短焊件在 600～900 ℃停留時間，抑制 σ相的形成。

2.2 E16.8.2焊材

為解決E308H焊縫金屬鐵素體含量容易偏高和高溫服役時隨時長增加其斷裂強度的降低速度快于母材的問題，一些專利商和制造商選擇E16.8.2作為焊縫金屬。通過控制Cr+Mo的含量，該焊材的熔覆金屬通常能獲得1～5 FN的鐵素體含量【6】，進而減少了σ相的形成，見圖9【7】。同時，Mo的加入改善了焊縫金屬的蠕變延展性和熱疲勞性能。資料表明，該焊縫金屬也適用于較厚板、高約束情況下的焊接。盡管焊縫金屬鐵素體含量較低，但仍具有優(yōu)秀的抗微觀裂紋和凝固裂紋性能，仍處于圖10中所示的不開裂區(qū)域【7】。該焊縫金屬經(jīng)650 ℃和10萬小時的服役后，其焊縫強度降低系數(shù)仍可達到1.0【3】。

圖9 E16.8.2焊縫金屬在WRC-1992中位置

圖10 E16.8.2焊縫金屬在SUUTALA圖中位置

3 焊接要求

焊接要求主要集中在焊縫的質量保證方面，包括對母材鋼板、對焊材的要求及對施焊過程的控制。

鋼板采用S30408 而非S30409，以抑制過高的敏化趨勢。要求C含量介于0.04%～0.08%之間，P含量≤0.030%，S含量≤0.002%。鋼板晶粒度為4～7級，利于提高抗蠕變斷裂性能。

焊接方應對焊材進行復檢，復檢內容包括熔敷金屬的化學成分、力學性能和熔敷金屬的鐵素體含量。結果應符合相關標準和設計說明書的要求。

焊接前應按NB/T 47014—2011進行焊接工藝評定，其中還應包括熔敷金屬在規(guī)定溫度的規(guī)定塑性延伸強度RP0.2。施焊時應采用小電流、短弧焊接，控制層間溫度不超過150 ℃，以控制σ相在焊接過程中析出。應制備產(chǎn)品焊接試件，試件的鐵素體含量、力學性能不低于設計要求?，F(xiàn)場組焊的每一條環(huán)縫都要求采用磁性法測定鐵素體含量。

4 操作注意事項

對車間工藝操作的建議主要有控制超溫和減少管線壓力波動。

表3列舉了一個超溫對設計壽命影響的例子。表3所示的案例中設計溫度為685 ℃，設計壽命16萬h。假設超溫700 ℃的全壽命時長為3 000 h；超溫720 ℃的全壽命時長為2 000 h；超溫750 ℃的全壽命時長為1 000 h，表中分別列出了其理論壽命及超溫消耗的設計壽命占比。

表3 短時超溫對設計壽命的影響

從表3中數(shù)據(jù)可看出：超溫溫度越高，所消耗設計壽命的占比升幅越大，且不是線性關系。所以在操作上要盡可能地避免超溫，而且對超溫溫度的控制應嚴于對超溫時長的控制。

表4則列舉了另一個全壽命時長超過設計溫度的例子，表4所示的案例設計溫度為685 ℃，設計壽命16萬h；表中還分別列出了全壽命時長超溫5、10和15 ℃時的理論壽命。

表4 全壽命時長超溫對設計壽命的影響

從表4中數(shù)據(jù)可看出：如果全壽命時長超溫，溫度增加15 ℃，則理論壽命減半。一些裝置的入口管線或許因特定原因存在局部長期超溫的情況(尤其是管線位于三旋頂部的出口處)，對這些部位要盡早發(fā)現(xiàn)，并采取措施。

減少管線壓力波動的目的是盡量減少對焊縫的沖擊載荷，避免在焊縫韌性不足時發(fā)生脆斷或微裂紋擴展。

5 結語

催化裂化裝置中煙機入口管線焊縫開裂是一個老大難問題，且每個裝置有各自的特點，開裂原因也不盡相同。當服役中的管線發(fā)生焊縫開裂時，需要一線人員抽絲剝繭，厘清開裂的本質，對癥下藥。只有從設計、選材、焊接施工和操作等方面多管齊下，消除隱患，才能根治開裂，達到本質安全的目的。