气化炉堆焊层裂纹形成原因的分析及处理

气化炉堆焊层裂纹形成原因的分析及处理

杨广林

特种设备检验检测研究院  甘肃兰州  730030

一、 结构参数： 某煤化工工厂煤制甲醇装置，气化炉与2010年投用，该设备规格Φ3200×20002.5×112+6mm，堆焊层厚度为6mm；操作压力：6.5MPa,操作温度：253℃，在正常工况下工作介质为O2、H2、CO、CO2、H2S等介质，在2021年对该设备进行定期检验时，通过宏观检验和渗透检测时发现在激冷室锥体段有放射状裂纹；

如下图所示：

放射状裂纹1                     放射状裂纹2

二、原因分析：气化炉在煤制甲醇工艺中为整个流程提供工艺气体，由于煤中含有大量的有害元素，如硫化物、氮氧化物都是酸性物质；还有大量的氢在富氢环境中对材料耐腐蚀要求更高；因此在气化炉激冷室中利用了堆焊层结构，其基层材料为SA38711CL12，堆焊层为316L厚度为6mm。

2.1、高温氢腐蚀-硫化氢腐蚀：腐蚀形态为硫化氢对钢的腐蚀，在富氢环境下90%～98%的有机硫化物转化为硫化氢，在氢的促进作用下加速了硫化氢对钢的腐蚀，停车过程中由于冷凝水的作用下可能引发湿硫化氢应力腐蚀。

其次，在温度高于204℃氢分压大于0.5MPa活性的氢原子会扩散到金属基体内部，与金属内部本身的碳结合生成微量的甲烷，从而导致金属内部应力过大，最终引发金属表面氢致开裂造成损伤。

2.2、在检验过程中发现裂纹为分析其可能的原因，检验时对发现裂纹的堆焊层部位，随机进行了铁素体含量的分析和测定，发现产生裂纹缺陷的堆焊层部位铁素体含量为1.8%～2.6%其含量均低于设计要求的铁素体含量3%；在金属材料中的相关知识中我们知道在奥氏体不锈钢中形成部分铁素体组织有利于提高焊缝的抗晶间腐蚀的性能和抗应力腐蚀的性能。在奥氏体中铁素体的存在可以打乱单一奥氏体组织的方向性，从而避免贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的通道，不会在奥氏体晶粒表面形成贫铬层；从而提高抗晶间腐蚀的性能，晶间腐蚀多发生于普通的不锈钢材料中，当晶界的含铬量小于12%就会形成贫铬区，贫铬区和晶粒本省存在电化学性能差异，使贫铬区与处于钝化状态的基体之间建立起一个具有很大电位的活化-钝化电池，在腐蚀介质的作用下贫铬区快速腐蚀，晶界首先被破坏，晶粒之间结合力降低，力学性能降低，机械强度大大降低，晶间腐蚀金属材料发生敏化后，在腐蚀介质中晶界因耐腐蚀能力降低优先被腐蚀；或未发生敏化的材料在特定的腐蚀介质中晶粒边界或晶界附近优先发生腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部破坏过程，发生敏化的奥氏体不锈钢非常容易发生晶间腐蚀，发生晶间腐蚀一般尺寸和外形无明显变化，目视检测一般不容易发现，在金相显微镜下一般呈网状且晶界明显变宽，严重时可能发生晶粒脱落。

2.3、气化炉长时间在富氢环境中使用，钢中会吸收大量的氢，氢使堆焊层发生脆化，再加上制造时因最终焊后热处理引起的堆焊层σ相脆化，以及由于结构原因，气化炉锥体段在正常使用时应力较大，介质的冲刷和磨损使钢中吸收更多的氢，脆化更加严重，在多种原因的共同作用下，当温度降低至室温时，材料的伸长率下降到10%，使得堆焊层表面产生裂纹。

综上所述，由于气化炉在正常工作时处于富氢环境中和硫化氢的共同存在，加上制造时其奥氏体不锈钢中铁素体成分含量偏低和可能产生贫铬的可能性，使得材料抗晶间腐蚀和抗应力腐蚀的性能下降，结合力下降、力学性能降低、机械强度降低等多种因素的共同作用从而在堆焊层表面产生放射状的密集裂纹。对此使用单位应在后续的使用过程中应对介质中的有害成分和相关杂志进行净化和去除处理，使设备的运行环境得到改善从而确保设备的使用安全，保证使用单位和人员设备的安全。

三、裂纹的处理：因气化炉堆焊层裂纹比较少见对缺陷的处理需要做到谨慎、认真、技术完善；

1、对发现裂纹的位置扩大了渗透检测的面积，确保把所有有缺陷的部位准确的找出来，由于煤制甲醇工艺中气化炉在整个工艺中至关重要，工作环境复杂设备内部结块和腐蚀情况复杂，因此完成整个堆焊层的检测工作是比较困难的。

2、对发现放射状裂纹的位置进行消除处理，对整个有裂纹的部位进行打磨消除，由于面积较大，打磨消除时需要分区域打磨，且应边打磨边进行渗透检测，目的是能够彻底、干净的消除缺陷，直到缺陷完全消除为止，打磨过程中应使用不锈钢专用打磨片打磨，不得使用切割片或其它种类的打磨片打磨。

3、打磨消除完成后，应对堆焊层的剩余壁厚进行测量，经测量发现本台气化炉打磨完成后的剩余壁厚为2.5mm～3.5mm之间，根据设计文件剩余壁厚已不满足相关设计要求，需要对堆焊层进行重新对焊处理；依据GB/T150-2011《压力容器》相关要求需要对整个维修过程进行质量控制，包括维修和补焊的施工方案、人员要求和相关器材、焊材、焊接规范等的要求；其中对施工方案应有施工单位起草并有原设计单位审核、批准，除此之外对维修过程中需要注意的重要部位，以及施焊的焊接规范和线能量、温度等重要参数应征求原设计单位的相关意见和要求，并出具书面的建议；对补焊完成后是否需要进行热处理也应由原设计单位出具书面的意见，以上资料和文件应保存在特种设备管理资料中，做为维修改造资料存档。

4、补焊过程应严格执行维修方案中的相关要求和规范，施焊人员必须取得堆焊层焊接要求的焊工证，严禁无证焊接、严禁无堆焊层焊接焊工证的人员施焊，在施焊过程中严格控制环境温度、预热温度、焊接速度等相关参数。

5、补焊完成后需要进行相关的检测，包括表面渗透检测、金相检测和铁素体含量测定等；渗透检测应在焊接完成24h后进行，渗透检测要求及评定级别应符合NB/T47013.5-2015相关要求，渗透检测人员应取得特种设备检验检测相关资质的人员进行检测，检测不得有表面裂纹等危害缺陷，检测完成后应立即出具检测报告，做为技术文件存档；金相检测应在焊接完成24h后进行，金相检测人员应是取得相关理化实验资质的人员进行，金相检测的相关数据应保证真实性和有效性，金相检测完成后也需立即出具金相检测报告；铁素体含量的测定可以委托其它有资质的检测公司进行，检测完成后需要出具铁素体含量测定报告。

6、维修工作全部完成后，使用单位应对整个维修施工内容和过程进行验收，验收内容包括技术文件、人员资质、检测报告、施工方案等；施工单位应对整个施工维修过程有严格的质量控制计划，保证维修质量、确保设备的后续使用安全、平稳。再整个处理过程中从缺陷的消除、检测到补焊再检测到合格正常运行整个过程用时半年的时间，为使用单位安全运行消除了安全隐患、确保了正常的生产和运行。