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(中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210046)

1 裂纹情况

中国石化某分公司蜡油加氢装置2009年建成投产，设计规模2.60 Mt/a，反应器及出口弯头设计参数见表1。2017年8月大修期间，对装置压力管道进行全面检验，发现反应器出口弯头设备头侧法兰底部R角部位存在裂纹，裂纹长度约为540 mm，其宏观照片见图1。

表1 反应器及出口弯头设计参数

图1 不锈钢法兰梯形槽底部裂纹

将裂纹表面初步打磨处理，采用相控阵检测进行定位检测(见图2)，测出该裂纹深度约为6 mm。依据标准NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》对裂纹评级，评定为Ⅲ级(见表2)。

表2 R101裂纹相控阵检测结果

图2 法兰梯形槽底部裂纹相控阵检测

2 裂纹修复

2.1 修复方案

法兰梯形槽底部宽度只有28.9 mm，现场无法采取金相检测等手段来进一步研究判断裂纹成因。同时，装置常规检修工期只有24 d，该法兰订购加工周期长，更换过程的焊接检测工期更长。经过技术部门反复论证，确定采用北京某公司高能脉冲精密冷补技术进行缺陷修复。

该法兰运行环境中含H2、高温油气和H2S等介质，且在高温高压的复杂工况下工作，使用一般焊接技术修复会使得法兰易出现氢致裂纹，给后续生产过程造成安全隐患。高能脉冲精密冷补技术采用高脉冲能量，作用时间短，热影响区小，热辐射半径0.4～1.6 mm，能保证焊接后材料性能无退化、无宏观热变形，实现材料表面的“低温修复”，避免焊接过程因温度过高产生的热应力和基体变形。同时，在修复过程中用氩气在电弧周围形成气体保护层，从而防止空气对熔池及邻近热影响区等部位产生不良影响。

2.2 修复前准备

(1)根据着色探伤(PT)结果和相控阵检测确定裂纹范围及深度；对裂纹部位进行除油、除锈等预处理。

(2)采用不锈钢磨头进行机械打磨，将金属表皮去除，消除裂纹，直至露出无缺陷基体材料。注意清除裂纹时不能使用碳弧气刨等方式，防止增加坡口边缘的淬硬倾向，影响焊接质量。

(3)打磨坡口为梯形，坡口宽度为5～10 mm，打磨过程中需采取PT探伤检查。随着打磨的进行，发现裂纹呈阶梯状扩展，见图3。打磨后测得该裂纹总长约580 mm，且8处裂纹缺陷打磨深度均在5 mm以上才彻底消除，其中最深达24 mm。待裂纹消除后，对打磨处表面修整，再进行PT探伤，未发现裂纹为打磨合格(见图4)。

图3 机械打磨及裂纹扩展形貌

图4 裂纹消除后梯形槽底部PT检测

2.3 热处理及补焊

2.3.1 补焊材料选择

高能脉冲精密冷补技术通过采用断续的高能电脉冲在母材及电极之间产生瞬时电弧，电弧瞬间将修复材料和基体迅速熔结在一起。电弧持续时间约为几十毫秒，而两个电弧之间的间隔时间约为几十毫秒到上百毫秒，从而保证实现“低温修复”[1]。该次冷补采用ER321补焊材料，该补材抗拉强度(Rm)为575 MPa，伸长率(A)为40%，其化学成分见表3。

表3 补材化学成分 w，%

2.3.2 消氢热处理

实际补焊时，引弧后发生炸裂现象，导致无法继续修复。主要原因是该弯头处于高温高压临氢工作环境，母材中仍含有许多未逸出的氢原子，造成引弧炸裂现象，补焊时也容易引起裂纹。

理论上来说，奥氏体不锈钢具有较低的氢脆敏感性，氢在奥氏体不锈钢中的渗透扩散能力低，且受合金成分、冷加工状态和热处理状态的影响不大[2-3]，奥氏体不锈钢返修可以不消氢。鉴于实际补焊过程发现不消氢无法焊接的问题，经技术论证，决定进行消氢处理，加速焊接部位氢的逸出，改善焊接性能。具体热处理工艺如下：(1)整个弯管用热处理炉加热消氢。进炉摆放要垫平整，以防弯管变形，且摆放时返修法兰摆在炉内温度较高区域。(2)前期温度低时，可只用点火棒加热，确保升温均匀。(3)消氢处理温度400 ℃，恒温4 h，升温速度控制在50 ℃/h。(4)恒温后先随炉冷却， 200 ℃后出炉空冷。(5)采用热电偶测温，并用自动记录仪记录热处理曲线，见图5。

图5 消氢热处理工艺曲线

2.3.3 补焊修复

消氢结束后，再次进行补焊修复。补焊时从底部逐层堆焊直到修复层高于基准面，并适当留出余高。焊接过程中采用红外测温仪测温，控制层间温度不超过100 ℃。

凹坑的修复过程如图6所示。在修复前必须对凹坑进行整形和表面净化处理，如果凹坑较小(见图6a)，可用旋转工具进行扩大，保证下凹表面的曲率半径不得小于20 mm(见图6b)，保证电极能够深入到凹坑的底部并进行施焊。修复时从底部开始施焊，并不断调整电极的方向(见图6c及图6d)，保证每一个修复层均匀，且不留死角。修复的厚度根据凹坑的深度而定，但必须略高于所要恢复的基体表面(见图6e)。最后打磨修整修复部位(见图6f)，使修复部位的高度、平整度等和基体一致。

图6 凹坑的修复过程示意

修复过程中质量控制要求如下：

(1)严格按照修复工艺参数进行修复。

(2)修复过程中电极慢速均匀运动，要求焊点连续、致密。

(3)氩气保护充分。氩气流量为8～12 L/min，防止电极和焊层氧化。

(4)如果修复部位呈现碳黑色，说明表层产生了氧化或碳化，继续修复会出现接合不良以及结晶层粗糙等问题。此时必须用角磨机、锉刀、油石或砂纸来磨除表层的碳黑层，裸露出新鲜金属层后再进行操作，以确保修复层质量。

2.4 修复层表面加工和检测

在修复过程中，要求修复层高于母材基准面，因此需要后续机加工。主要采用角磨机、钢丝刷、磨具或锉刀等工具，通过打磨、研磨乃至抛光的方法处理焊接修复部位，使低温焊接修复后的表面曲率及表面光洁度与法兰其他部位保持一致。

最后，对修复层表面进行宏观检查，确保修复层光滑平整，焊层均匀致密，与基体连接处光滑平整。采用PT检查确认无焊接缺陷。补焊后形貌如图7所示。

3 结论及建议

该反应器弯头缺陷修复成功后进行回装，运行正常，未发生开裂和泄漏现象。由于梯形槽底部面积小，无法进行详细检查，但从工作环境及裂纹形态分析，该裂纹属于氢致裂纹。结合该次缺陷修复处理情况，对高压厚壁奥氏体不锈钢设备的检修以及防止开裂提出以下建议:

图7 修复完成后法兰外观及PT检测

(1)为防止低价中标造成的恶性竞争，建设单位要认真编写关键设备材料的采购技术文件，提高技术门槛，保证原材料的质量。对高压加氢反应器使用的奥氏体不锈钢TP321锻件，可以提出高于国家标准的具体要求，如晶粒度等级要求，不均匀度要求等。加氢装置反应单元不锈钢管道使用温度约为400 ℃，属于高温区前段，主要考虑材质的高温蠕变性能和高温抗氧化性能。高温蠕变性能与晶粒度有关，晶粒较大，高温蠕变性能较好，但常温力学性能较差，且高温抗氧化性能也较差，所以要求晶粒度等级适中为宜。

(2)设备、管件制造过程热成型加工完成后，严格按照设计技术文件进行热处理以便改善不锈钢抗敏化性能。

(3)装置运行过程中要平稳操作，反应系统升温、升压严格按照设备操作规程进行，维护好设备运行状态。

(4)加氢装置停工降温后，反应单元及时按照要求进行充装氮气保护或者中和清洗。严格按照NACE RP0170—2012《炼油厂停工期间奥氏体不锈钢设备连多硫酸应力腐蚀开裂的预防》要求进行防护。