彭國平，張曙東，李萬立，李洪剛

(廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東 廣州 510663)

溶劑脫瀝青裝置是以減壓渣油為原料，在一定溫度和壓力下，利用丁烷或戊烷液體溶劑對減壓渣油中的油組份具有較大的溶解度，而對膠質(zhì)、瀝青質(zhì)幾乎不具有溶解性的特性，在抽提器內(nèi)進行萃取，使其分為抽提溶液相和瀝青溶液相，因其兩相存在密度差，比重小的抽提溶液相逐漸上升到抽提器頂部成為提取溶液，比重大的瀝青溶液相沉至底部，抽提溶液從抽提器頂出來經(jīng)升溫溶劑選擇性提高，使膠質(zhì)在沉降器中沉降下來，這樣就將渣油中的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)脫除，獲得脫瀝青油溶液；利用溶劑隨溫度升高而對油組份溶解能力減弱的特性，在壓力不很高而溫度較高的超臨界狀態(tài)下，溶劑失去對油組份的溶解能力的規(guī)律，使溶劑與抽出油分層得以分離，實現(xiàn)溶劑的超臨界回收，循環(huán)使用[1-2]。本裝置利用脫瀝青油與溶劑換熱器把高溫分離的溶劑與脫瀝青溶液進行熱交換，降低溶液溫度，提高脫瀝青油溶液的溫度，從換熱器出來的脫瀝青油溶液經(jīng)加熱爐進一步加熱升溫后，達到溶劑與脫瀝青油分離的目的，高溫溶劑進入該換熱器進行熱量交換，降低溫度后進一步冷卻成為液態(tài)進入抽提器萃取減壓渣油中的脫瀝青油，達到循環(huán)利用的作用。

某石油化工公司脫瀝青與溶劑換熱器在停機狀態(tài)下進行開罐抽芯定期檢驗；無損檢測采用磁粉對表面缺陷進行檢測，埋藏缺陷采用超聲檢測為主，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)殼體長頸法蘭上存在大量裂紋缺陷，為了擴大缺陷檢出率，增加了TOFD檢測方法，應用金相對缺陷進行分析查找裂紋產(chǎn)生原因，采用聲發(fā)射技術(shù)來門判斷裂紋缺陷的活性程度，最后經(jīng)有資質(zhì)單位進行評價，進行監(jiān)督運行措施，確保設(shè)備安全生產(chǎn)運行。本文以設(shè)備編號為E-102/D1的脫瀝青與溶劑換熱器為例進行陳述。

1 資料審查

表1 E-102/D1脫瀝青油與溶劑換熱器出廠資料Table 1 E-102/D 1 deasphalting oil and solvent heat exchanger factory information

該公司委托本院對其溶劑脫瀝青裝置54臺壓力容器進行定期檢驗，12臺脫瀝青與溶劑換熱器每3臺串聯(lián)后再并聯(lián)在一起使用設(shè)備參數(shù)如表一所示，換熱器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。查閱容器竣工資料，發(fā)現(xiàn)16Mn法蘭鍛件供貨狀態(tài)為空，且未見熱處理報告，筒體鋼板為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，而其他出廠資料齊全；查找上次定期檢驗報告，其中殼體與長頸法蘭對接環(huán)焊縫B3超聲檢測發(fā)現(xiàn)2處缺陷，長度分別為150 mm、180 mm、深度35～39 mm、自身高度4 mm、波幅高度均在Ⅲ區(qū)的超標埋藏缺陷。

圖1 E-102/D1脫瀝青油與溶劑換熱器結(jié)構(gòu)及排版圖Fig.1 E-102/D 1 deasphalting oil and solvent heat exchanger structure and layout

2 檢驗檢測情況

根據(jù)設(shè)備使用年限、損傷模式和失效機理編制檢驗方案，以宏觀檢驗、壁厚測定、無損檢測、硬度測試、耐壓試驗、氣密性試驗等作為主要檢驗檢測方法。表面缺陷檢測采用磁粉檢測、內(nèi)部缺陷采用超聲檢測，對上次發(fā)現(xiàn)缺陷位置增加TOFD檢測。設(shè)備部分拆除保溫層，外表面和內(nèi)部宏觀檢查、壁厚測定、硬度測定等檢驗項目未發(fā)現(xiàn)異常。

2.1 磁粉檢測

脫瀝青油與溶劑換熱器主體材料為16MnR，表面檢測優(yōu)先選用磁粉檢測進行，現(xiàn)場使用反差劑有利于缺陷顯示，采用旋轉(zhuǎn)磁場連續(xù)法檢測，檢測現(xiàn)場圖如圖2所示，檢測發(fā)現(xiàn)殼體長頸法蘭上2個位置存在許多裂紋，從B3環(huán)焊縫熔合線至長頸法蘭100 mm母材范圍，1位置在距A2焊縫以下0.8～1.6 m位置(同金相1位置)，2#位置在距A2焊縫以下2.2～2.6 m位置(同金相2位置)，裂紋沿B3環(huán)焊縫方向分布，長短不一，最大長度23 mm，裂紋中部成鋸齒狀，兩頭尖、中間粗，裂紋如圖3和圖4所示。對其中1處幾條裂紋缺陷位置進行打磨，打磨過程中發(fā)現(xiàn)：表面裂紋較細、中間部分較粗、磨深到一定深度后開始變細、最后裂紋消失，磨深到30 mm后全部去除，如圖5所示。磁粉檢測擴探法蘭外表面對應位置，未發(fā)現(xiàn)外表面缺陷顯示。

圖2 磁粉檢測現(xiàn)場圖Fig.2 Magnetic particle inspection site map

圖3 1.1 m位置附近裂紋圖Fig.3 Crack pattern near 1.1 m

圖4 1.6 m位置附近裂紋圖Fig.4 Crack pattern near 1.6 m

圖5 裂紋打磨消除示意圖Fig.5 Schematic of crack grinding elimination

2.2 超聲和TOFD檢測

超聲波檢測B2、B3、B4、A1、A2焊縫，B3上存在2處評定為Ⅲ級的超標缺陷，缺陷參數(shù)與上次定檢測結(jié)果相符，其他焊縫未見超標缺陷。

圖6 超聲波檢測焊縫Fig.6 Ultrasonic inspection of welds

對B3焊縫進行TOFD檢測，采用一發(fā)一收模式從內(nèi)表面進行掃查，其中部分圖譜如圖6所示，圖譜中直通波、底面反射波、變形波明顯，缺陷信號幅值同直通波和底面反射波相比較非常強烈，存在大量小缺陷組成的條狀，無法分辨缺陷上、下端點信號，從內(nèi)表面向內(nèi)部沿伸，缺陷覆蓋最大深度約為38 mm，結(jié)合磁粉檢測結(jié)果，估判缺陷為裂紋；B4焊縫未見超標缺陷。

2.3 金相分析

圖7 E-102/D1殼體金相分析位置Fig.7 E-102/D 1 shell metallographic analysis location

圖8 部位1環(huán)焊縫 (200×)Fig.8 Part 1 girth weld 200×

圖9 部位1筒體母材(100×)Fig.9 Part 1 tube base material 100×

圖10 部位1法蘭熔合線(200×)Fig.10 Part 1 flange fusion line 200×

圖11 部位2法蘭熔合線(100×)Fig.11 Part 2 flange fusion line 100 ×

圖12 部位2法蘭母材(100×)Fig.12 Part 2 flange base material 100 ×

對磁粉檢測發(fā)現(xiàn)2處較長裂紋位置如圖7所示進行金相分析，1位置處焊縫組織為魏氏組織鐵素體+塊狀鐵素體+粒狀貝氏體+珠光體(圖8)；筒體母材組織為索氏體(圖9)；法蘭側(cè)熱影響區(qū)組織為索氏體+貝氏體，熔合線處可見平行于環(huán)焊縫的斷續(xù)穿晶裂紋(圖10)。2位置熔合線及距熔合線約5cm處法蘭母材組織為索氏體+貝氏體，屬調(diào)質(zhì)態(tài)金相組織，見平行于環(huán)焊縫的斷續(xù)穿晶裂紋(圖11、圖12)。

2.4 聲發(fā)射檢測

按照加載程序?qū)Q熱器殼體進行加載，同時采集數(shù)據(jù)。壓力≤5.12 MPa定位源事件零星出現(xiàn)；5.12～7.61 MPa一次升壓及7.61 MPa保壓過程，定位源如圖14和圖16所示，事件隨著升壓和保壓連續(xù)增加，定位源幅度最大為89 dB；第二次升壓和保壓過程，定位源如圖15和圖17所示，事件數(shù)間斷增加，幅度最高為80 dB。從兩次升壓和保壓定位源圖可知，定位源主要集中在5#和6#及6#和7#傳感器間，位置能完全重合，且能與磁粉發(fā)現(xiàn)2處表面裂紋位置一一對應。第二次加壓、保壓過程中信號比第一次少、且幅值有所降低，符合凱賽爾效應原理。

根據(jù)NB/T47013.9標準對聲發(fā)射定位源進行分析，定位源具有強活性和高強度，綜合評定為Ⅳ。

圖13 加載程序圖Fig.13 Load the program diagram

圖14 第一次升壓定位源圖Fig.14 First boost source diagram

圖15 第二次升壓定位源圖Fig.15 Second boost source diagram

圖16 第一次保壓定位源圖Fig.16 First press-hold source diagram

圖17 第二次保壓定位源圖Fig.17 Second press-hold source diagram

3 缺陷產(chǎn)生原因分析

筒體母材組織為索氏體，符合鋼板調(diào)質(zhì)供貨狀態(tài)。法蘭母材組織為索氏體+貝氏體，屬調(diào)質(zhì)態(tài)金相組織；容器竣工資料提供法蘭鍛件供貨狀態(tài)為空，且未見熱處理報告，推測法蘭在鍛造完成后快速冷卻，相當于淬火，容器制造完成后進行(620±20)℃整體去應力退火熱處理，相當于淬火后的高溫回火處理，得到的組織為回火索氏體[3]，與法蘭調(diào)質(zhì)組織相符合。焊縫組織魏氏組織，是由于焊接過程中熱量過高，過熱區(qū)內(nèi)由于奧氏體晶粒長得非常粗大，焊接完成后，因容器壁厚較大導致冷卻速度過快，形成的一種特殊的過熱組織[4]。

溶劑脫瀝青裝置設(shè)計原料硫含量指標≤1.62%，而該公司實際由蒸餾三裝置送入溶劑脫瀝青裝置的原料硫含量長期在4.5%～5.5%，遠遠超過裝置硫含量的設(shè)計值。該換熱器設(shè)備殼/管程操作壓力為5.12/6.43 MPa，操作溫度為241/148 ℃，殼程存在硫化氫應力腐蝕開裂傾向，高溫物料中硫化物熱分解生成硫化氫，進入輕組分戊烷溶劑中，在硫化氫濃度、溫度、溶液pH值共同作用下導致硫化氫應力腐蝕開裂[5]。

宏觀發(fā)現(xiàn)裂紋走向平行于環(huán)焊縫，呈斷續(xù)狀，斷口不光亮，呈氧化色，圖10～圖12金相分析可見裂紋屬于穿晶和沿晶混合型，是由于鍛造完成后冷卻速度過大加上法蘭構(gòu)件截面突變等原因而引起的混合型裂紋[6]。經(jīng)與設(shè)備主管及操作人員溝通得知，該換熱器上次大修時發(fā)現(xiàn)少量表面微裂紋，裂紋都很小，由于連續(xù)生產(chǎn)的需要，未作處理，本次檢驗發(fā)現(xiàn)的表面裂紋數(shù)量明顯增多，且長度更大。

承壓設(shè)備當受內(nèi)壓作用時，軸向應力是切向應力的一半[4]，使用過程中產(chǎn)生的裂紋走向與環(huán)焊縫平行；制造過程中存在內(nèi)部缺陷，使用時介質(zhì)中硫化氫含量超標引起的應力腐蝕開裂，加上設(shè)備運行時工作溫度和工作壓力較高、使用時間長，在多重因素共同作用下，導致裂紋的產(chǎn)生和擴展。裂紋缺陷從內(nèi)部向表面擴展，聲發(fā)射檢測進一步驗證了裂紋缺陷強活性等特征。

4 缺陷處理

分析裂紋缺陷為制造缺陷，加上硫化氫應力腐蝕等多因素共同作用，導致裂紋缺陷的產(chǎn)生和擴展。消除魏氏過熱組織最好的辦法是進行正火熱處理。解決硫化氫應力腐蝕應從源頭控制硫含量，增加設(shè)備除硫。根據(jù)大修按排檢驗完成后立即恢復生產(chǎn)，無法對發(fā)現(xiàn)的全部缺陷進行返修處理，僅對打磨裂紋缺陷進行消除、補焊、檢測和熱處理。用戶委托某研究機構(gòu)對含缺陷設(shè)備進行合于使用評價，經(jīng)計算評定超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷滿足合于使用評價，磁粉檢測表面裂紋及TOFD檢測缺陷，結(jié)合容器設(shè)計、制造和實際運行情況，評價單位判斷法蘭鍛件裂紋和TOFD檢測埋藏超標缺陷是設(shè)備制造時產(chǎn)生的，隨著使用時間和高溫環(huán)境及介質(zhì)的多重作用，缺陷不斷擴大增長。評價單位認定該容器安全狀況等級定為4級，繼續(xù)在設(shè)計規(guī)定的允許運行參數(shù)下監(jiān)控使用。