張健堂

(皖北煤電集團公司， 安徽宿州 234000)

1 甲醇合成塔工藝

內蒙古鄂爾多斯市西北能源化工有限責任公司(簡稱西北能化)甲醇裝置以煤為原料，采用水煤漿加壓氣化、耐硫變換、低溫甲醇洗脫硫脫碳等工藝，制得純凈的氫氣和一氧化碳，在催化劑的作用下合成粗甲醇。甲醇合成塔是管殼外冷-絕熱復合型甲醇合成反應器，甲醇合成催化劑(銅系催化劑)裝在換熱管內和換熱管上部，在管間充滿鍋爐水，這些水把甲醇合成反應產生的熱量快速地移走。

甲醇合成塔殼程操作溫度約為250 ℃，操作壓力為3.9 MPa，介質為鍋爐水(Na3PO4質量濃度為10.5 mg/L，溶解氧質量濃度為9.0 mg/L，pH為7～9)。

2 甲醇合成塔泄漏過程

西北能化甲醇合成塔由中航黎明錦西化工機械責任公司(簡稱錦化機公司)于 2013 年 11 月生產制造(設備編號為13-332),2014 年初安裝就位，2016 年 9 月投入生產使用，2017年 6 月在生產過程中發(fā)現(xiàn)該塔筒體下部加強圈過渡段與筒體B2 環(huán)焊縫上有泄漏點，在當月裝置停車大修期間由制造單位錦化機公司安排維修人員，按照制定的檢修方案，進行挖補修復，消除該處缺陷，并于 2017 年 8 月修復結束投入生產。2018 年 1月上旬，該處環(huán)焊縫表面又出現(xiàn)1處泄漏點，同月中旬，再次出現(xiàn)2處泄漏點，泄漏點位置均在該環(huán)焊縫上；2018年2 月初，在該位置處再次出現(xiàn)泄漏。西北能化及時將泄漏情況發(fā)函告知錦化機公司，該公司安排專人查看現(xiàn)場，著手準備返修工作。

2018年4月大修期間對焊縫進行超聲檢測發(fā)現(xiàn)該處約存在15 處缺陷(包括 11 處泄漏點)，裂紋既有縱向也有環(huán)向，還有呈十字狀分布，對焊縫內壁用內窺鏡檢查可見多處細小裂紋，部分已由焊縫延伸至母材本體。設備結構及泄漏部位見圖1。

(a) 整體結構圖

(b) 俯視圖A8—鍋爐給水出口； B2-7—鍋爐給水入口；B8—鍋爐給水/蒸汽入口；A2-7—鍋爐給水/蒸汽出口。圖1 設備結構圖及泄漏部位

3 檢測分析

對泄漏部位進行宏觀檢測(包括樣品外表面檢查、焊接接頭剖面檢查、裂紋剖面檢查)、化學成分分析、金相分析(包括裂紋金相、金相組織)、硬度測試、斷口分析(包括宏觀斷口、微觀斷口)、X 射線能譜分析、X 射線衍射分析，以分析泄漏原因。

3.1 宏觀檢查

樣品內壁呈鐵銹紅色，裂紋基本與焊縫垂直，未見有明顯的塑性變形，表現(xiàn)出脆性斷裂特征，具體見圖2。

圖2 樣品宏觀形貌

3.2 化學成分分析

分別對焊縫金屬(內坡口和外坡口)、兩側母材(厚壁和薄壁)進行化學成分分析，結果見表1。由表1可以看出：母材化學成分滿足相關標準(GB 713—2008 《鍋爐和壓力容器用鋼板》對13MnNiMoR的要求)，焊縫金屬化學成分與母材匹配。

表1 化學成分分析結果

3.3 焊接接頭硬度測試

對焊接接頭進行硬度測試，測試部位及結果見圖3。

由圖3可以看出：焊縫金屬硬度為226.0 HV～246.5HV；熱影響區(qū)硬度為276.2HV～357.7HV；母材硬度為 202.5HV～225.7HV。

圖3 硬度測試部位及結果

3.4 金相分析

裂紋金相試樣取樣部位見圖4，該處裂紋是由焊縫上的裂紋延伸至母材上的。裂紋的微觀形貌見圖5。由圖5(a)可以看出：裂紋基本垂直于內表面，深度約12 mm。對裂紋進行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)在該裂紋的附近還有1條微裂紋(見圖5(b))，2處裂紋均有內壁裂紋，以穿晶擴展(見圖5(c)～(e))，局部有分叉，裂紋縫隙內有明顯的氧化物(見圖5(d)),裂紋具有較典型的應力腐蝕開裂特征。

圖4 裂紋金相試樣取樣部位

(a) 裂紋位于厚壁母材上

(b) 近內壁裂紋

(c) 裂紋1局部形貌

圖5 裂紋微觀形貌

3.5 斷口分析

選取位于焊縫上到裂紋(1/3至2/3厚度和2/3至外壁厚度)將其打開，打開部位及斷口宏觀形貌見圖6。2個斷裂面凹凸不平，主要呈褐色，局部也有呈鐵銹紅，人工打開斷口為白色。斷口表面有明顯呈放射狀紋路，按放射狀紋路收斂方向可以判斷裂紋是由內壁向外壁擴展的，在斷口2上可見裂紋已穿透。

圖6 裂紋形貌及打開后的斷口

3.6 X 射線能譜分析

對斷口1表面腐蝕產物進行能譜分析，斷口1分析部位見圖7，分析結果見圖8和表2。斷口上主要為O和Fe元素，局部有少量的Mn、Cr、Ni、C和P等元素。

圖7 斷口表面腐蝕產物分析部位

表2 斷口1表面能譜分析結果

3.7 X 射線衍射分析

從塔內裂紋表面刮取得到的附著物作為分析樣品，對其進行X射線衍射分析，結果見圖9。由圖9可以看出：樣品中主要含有Fe3O4和少量的C結晶。

圖9 X射線衍射分析結果

4 原因分析

依據取樣分析結果可以確定焊縫開裂為應力腐蝕開裂。從斷口及腐蝕產物特征看溶解氧(鍋爐給水水質指標，在合成塔泄漏前因溶解氧檢測儀器故障，溶解氧未檢測到，國標為50 mg/L)占主導機制，而從開裂時間較短來看又符合Na3PO4(鍋爐給水水質指標，在合成塔泄漏前檢測指標為5～15 mg/L)引起堿脆占主導機制的特點。對于西北能化焊縫熱影響區(qū)最高硬度達到375.7HV，遠高于設計規(guī)定的 225HV，說明了表面焊接殘余應力沒有通過焊后熱處理得到有效消除，這是導致應力腐蝕的一個關鍵因素。

5 修復方案

設備殼程過渡段與筒體材料為13MnNiMoR，過渡段厚度為110 mm，筒體厚度為55 mm，焊縫處厚度為55 mm。

針對殼程過渡段與殼程筒體焊接接頭有多處泄漏，存在缺陷部位累計長度已達到B2焊縫總長度的3/4，采取以下措施修復：

(1) 對B2焊縫存在缺陷的部位進行修復，經超聲檢測未發(fā)現(xiàn)缺陷的部位，可不再重新焊接。每次修復長度根據履帶加熱器長度確定為約600 mm(根據履帶加熱器長度情況一次修復長度可適當加長，但兩端必須有各不小于80 mm的余出履帶加熱器)。

(2) 對存在缺陷的環(huán)向焊接接頭整圈進行100%超聲波探傷檢測及100%滲透檢測，確定焊縫缺陷位置每處的寬度并進行記錄。

(3) 在0°附近鉆2個止裂孔，距離約為600 mm。

(4) 用碳弧氣刨和砂輪修磨的方法清除缺陷，清除前對母材進行預熱，預熱溫度不低于150 ℃，碳弧氣刨清除時沿缺陷外圍向中心部位進行，然后用砂輪修磨表面，直至露出金屬光澤，對其表面進行100%滲透檢測，按NB/T 47013.5—2015 《承壓設備無損檢測》標準的I級驗收，確認缺陷已完全清除干凈為止[1]。清除缺陷的同時將焊縫熱影響區(qū)內硬度超標部位(一般在熔合線兩側20 mm范圍內)清除，并再次打硬度進行確認。每清除一段環(huán)焊縫后，用內窺鏡檢查環(huán)焊縫兩側是否存在超聲波未檢測出的肉眼可見裂紋，如有應一并去除。

(5) 缺陷沿筒體環(huán)焊縫環(huán)向方向延伸(長度或寬度)較大時，缺陷清除后采用在內部加襯墊的方法進行修復。在清除缺陷時，有可能會出現(xiàn)因打磨致底部開口過大而無法焊接的情況；為確保焊接質量，允許采用加襯墊的方法進行焊接，襯墊材料為13MnNiMoR，板厚為8 mm，長度和寬度按實際缺陷部位尺寸相配。

(6) 嚴格按照焊接工藝要求進行施焊，焊前預熱，焊后立即消氫處理為按焊接工藝和熱處理工藝要求進行[2]。

(7) 焊接完畢24 h后，對修復部位及周圍200 mm范圍內的母材、焊接接頭進行100%滲透檢測，按NB/T 47013.5—2015 的I級驗收，并進行100%超聲檢測，按NB/T 47013.3—2015 的I級驗收[3]。

(8) 在0°附近修復完畢后，再修復180°側，隨后修復 90°側，最后修復270°附近的缺陷。為加快修復進度，在履帶加熱器及現(xiàn)場施工人員足夠的情況下，也可0°與 180°同時修復，90°與270°同時修復，每次鉆4個止裂孔。這樣循環(huán)往復，直至 B2 焊縫存在缺陷的部位被完全修復、消氫、無損檢測合格。

(9) B2焊縫存在缺陷部位都修復完畢后，按熱處理工藝要求進行 B2焊縫的整圈消除應力熱處理。

(10) 熱處理后對焊縫、熱影響區(qū)母材進行硬度檢測，理論上應控制硬度小于等于225HB?？紤]現(xiàn)場熱處理條件受到很多限制，如內部換熱管眾多，散熱速度快、熱處理設備受到空間限制等，造成熱處理溫度可能達不到理論值，根據多年實際經驗，暫定硬度合格條件為小于等于245HB[1]。

(11) 熱處理合格后，對修復部位進行100%滲透檢測，按 NB/T 47013.5—2015 的I級驗收，并進行 100%超聲檢測，按 NB/T 47013.3—2015 的I級驗收。

(12) 耐壓試驗按以下要求執(zhí)行：

① 缺陷修復完成后，對設備殼程先進行壓縮空氣檢漏，試驗壓力為0.4～0.5 MPa，檢查修復位置不得泄漏。

② 合格后進行系統(tǒng)試壓，殼程試驗壓力為5.63 MPa(根據現(xiàn)場實際情況也可以進行設計壓力，即4.5 MPa水壓試驗)，檢查所有連接部位，不得有泄漏，檢查合格后將水放凈，并用壓縮空氣吹干。

③ 耐壓試驗時應控制試驗用水的氯離子質量濃度不得超過3 025 mg/L。

(13) 耐壓試驗合格后，對修復部位進行 100%滲透檢測，按 NB/T 47013.5—2015 的 I 級驗收，并進行 100%超聲檢測，按 NB/T 47013.3—2015 的 I 級驗收[4]。

(14) 合成塔過渡段與筒體的環(huán)向焊接接頭返修焊接后用履帶加熱器加熱，進行局部消除應力熱處理。局部消除應力熱處理時，需要用履帶加熱器將整條環(huán)向焊接接頭均勻加熱，采用耐火纖維毯保溫，自動控溫儀控制溫度并自動記錄溫度-時間曲線；沿環(huán)向焊接接頭圓周布置 4 支熱電偶，相鄰熱電偶互呈 90 ℃。

(15) 合成塔熱處理結束后，嚴格按照水壓試驗方案進行水壓試驗，試驗過程中無異常的聲響，放水后，進行 100%超聲檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，認為水壓力試驗合格。具體水壓試驗曲線見圖10。

圖10 水壓試驗壓力曲線

6 合成塔修復工作鑒定

合成塔修復工作全部結束后，2018年6月2日由中國特種設備檢測研究院對合成塔環(huán)向焊縫進行了超聲波檢測，檢測結果表明合成塔環(huán)向焊縫未見缺陷。

2018年6月6日合成塔投入使用，6月12日由內蒙古鄂爾多斯市特種設備檢驗所出具特種設備改造與重大修理監(jiān)督檢驗證書，鑒定結果為合成塔安全性能符合TSG 21—2016 《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》要求[5]。

7 結語

合成塔自6月6日修復工作結束后，并由當地特種設備檢驗所鑒定合格后投入使用，目前運行穩(wěn)定，經過對鍋爐水指標分析：溶解氧質量濃度為10.5 mg/L(指標為50 mg/L)，總磷質量濃度為9.0 mg/L(指標為20 mg/L)，溫度為104 ℃，各項指標在控制范圍內。通過甲醇合成塔的平穩(wěn)運行，說明了甲醇合成塔環(huán)焊縫修復方案正確可行，熱處理溫度控制、耐壓試驗和水處理方案是切實可行的，可供類似的甲醇合成塔檢修借鑒參考。甲醇合成塔運行中還要做好以下安全防范措施：

(1) 嚴格按照工藝指標控制鍋爐水溶氧量，采取有效手段對其監(jiān)控分析。

(2) 對甲醇合成塔外部保溫采取加厚處理，進一步降低合成塔內外壁溫差，避免因溫差應力造成合成塔及焊縫產生裂紋。

(3) 在甲醇合成塔開停車期間，升降溫應緩慢，防止催化劑產生超溫或破碎等現(xiàn)象。