张勇 孟继安
摘要 针对大庆石油化工总厂重油催化再生器焊缝产生穿透性横向裂纹的情况，成功地实施了用16MnR作补强板和国产J507(E5015)焊条的手工电弧焊挖补焊接修复工艺。焊接工艺实践表明，控制组对间隙，选择正确的焊前预热温度，严格按工艺参数和技术规范进行施工是修复获得成功的关键；选取合适的挖补长度和合理的挖补形状是安全施工的必要保障。焊后采用振动时效工艺消除焊缝应力，使焊接残余应力降低50%，不仅获得了满意的效果，而且大大缩短了检修工期。
主题词 催化剂再生 再生塔 裂纹 焊接 修复
Zhang Yong(Machinery Plant of Daqing Petrochemical Complex, Daqing City, Heilongjiang Province), Meng Ji‘an. Reconditioning of cracks in heavy oil catalyst regeneration unit. CPM, 1999, 27(3): 25～27
In the light of the actual conditions of the welding crack in the heavy oil catalyst regeneration unit, by using 16MnR as excess weld metal and J507(E5015) as welding rod, the mending technology of removing the damaged part and welding is carried out successfully. Practice shows that, selecting proper preweld temperature and executing the technology according to technical parameters and specifications is the key to the success of the reconditioning; and selecting rational length and shape of the mended part is necessary to ensure safe operation. By using the vibration aging for relieving the stress in the weld, the residual stress in the weld can be reduced by 50%, good effect is achieved.
Subject Concept Terms catalyst regeneration regenerator crack welding
reconditioning
大庆石油化工总厂炼油厂重油催化装置自1992年10月投产使用，经过5年多生产运行，于1997年1月经宏观检查发现，烟气系统再生器管道焊缝出现大量的穿透性横向裂纹，且向焊缝两侧的母材延伸。
截止1997年底，宏观检查发现再生器过渡段下部筒体出现裂纹136处，外取热器下料管出现裂纹82处，外循环管出现裂纹31处，总计发现穿透性裂纹达249处。有关方面的专家根据现场检查结果多次进行技术分析，初步判定为应力腐蚀引起穿透性裂纹。工厂对裂纹集中区域采取外贴16MnR补强板，同时实行特护管理，但仍无法控制裂纹的继续出现及扩展。
近几年来，我国几套重油催化装置在生产运行中，再生器及烟气辅助设备壳体出现大量裂纹，先后有茂名石化公司炼油厂、锦州石化公司炼油厂等几家炼油厂出现类似问题。这些裂纹大多发生在焊缝、熔合线或热影响区内，不少为穿透性裂纹，裂纹最长达1m多，并有高温烟气和催化剂外泄情况发生，对重油催化装置的安全正常生产造成严重威胁。因此，解决这类难题成为科技人员的当务之急。
大庆石油化工总厂经多次讨论分析，决定在1998年检修期间对再生器产生的应力腐蚀裂纹进行彻底修复，修复方案如下：
(1)对再生器过渡段下部筒体裂纹集中区域采用局部挖补焊接予以修复；对单个裂纹则采取修磨补焊；
(2)对外取热器的下料管、外循环管予以整体更换。
从控制应力腐蚀产生要素的角度来看，挖补焊接消除裂纹，焊后消除残余应力是实施再生器裂纹修复的重点。
材质可焊性分析与挖补长度的确定
1.化学成分和力学性能
再生器壳体SPV36与补板16MnR的化学成分及力学性能见表1。
表1 材料化学成分及力学性能
| 钢号 | 化 学 成 分(%) | 力 学 性 能 | |||||||
| C | Si | Mn | S | P | σb(MPa) | σs(MPa) | δ(%) | Akv(J/cm2) | |
| SPV36 | 0.165 | 0.33 | 1.41 | 0.011 | 0.011 | ≥540 | ≥334 | ≥14 | ≥47 |
| 16MnR | ≤0.20 | 0.20～0.60 | 1.20～1.60 | ≤0.045 | ≤0.045 | ≥510 | 343 | ≥21 | ≥58 |
| 2.材质可焊性分析 理化检测再生器壳体金相组织及显微硬度结果如下： (1)金相组织 母材为铁素体+带状珠光体；焊缝为铁素体+贝氏体+索氏体； 过热区为魏氏组织铁素体+珠光体。 (2)显微硬度测定(载荷1.96N) 母材：171～175Hm；焊缝：192～195Hm；过热区：210～216Hm。 由此表明，再生器壳体母材SPV36组织及力学性能无明显变化，与16MnR焊接性较好，但延伸率和冲击值均比16MnR低。另外，因塔壁较厚(24mm)，塔体高大，焊接中散热很快，所以焊接过程必须采取预热和控制层间温度的工艺措施，以防止裂纹。 3.预热温度的确定［1］ 按照低合金钢预热温度的计算公式可初步确定焊前预热温度Td(℃)： Td=-214+324Pcm+17.7［H］+0.14σb+4.73h 式中 Pcm——化学成分冷裂敏感指数，对于SPV36钢，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B=0.247； [H]——熔敷金属扩散氢含量，［H］=4mL/100g； h——材料厚度，mm。 将数据代入公式得：SPV36钢Td=125.9℃。考虑现场施工环境温度(20～25℃)及施工条件等因素影响，取预热温度为150℃，相应的层间温度也控制在150℃左右。 4.挖补区域的确定 再生器过渡段下部筒体衬里用爆破法拆除，器壁喷砂打磨后*着色检查。根据理化检测结果及裂纹修复原则，确定挖补部位如图1所示(图中黑粗短线即为挖补焊接修复部位)。对其它部位的单个裂纹进行修磨补焊。
图1 裂纹挖补部位示意图 根据再生器设计参数，利用压力容器计算软件，求得在风力、地震对塔作用下，再生器器壁*挖补长度不得超过3500mm。为了在现场实际挖补时防止再生器垂直度产生偏差及组对方便，控制挖补长度不得超过3000mm［2］。补板为宽300mm、两端半径为150mm的长条状，以利于焊接时应力均匀分布，减小应力集中。 焊 接 1.接头及坡口形式的选择
图2 焊接接头及坡口形式 2.焊前准备 表2 焊接工艺参数 |
| 焊条直径 (mm) |
焊接电流 (A) |
焊接电压 (V) |
焊接速度 (cm/min) |
线能量 (kJ/cm) |
| 3.2 | 120～140 | 22～24 | 6～10 | 20.2～26.4 |
| 4.0 | 140～180 | 26～28 | 8～12 | 25.2～27.3 |
| 4.手工电弧焊焊接工艺及要求 手工电弧焊采用直流反接。 组对点焊时，严格控制坡口间隙为1.5～2mm。若个别部位间隙超标，可采取坡口表面堆焊方法减小组对间隙，从而防止由于焊接应力作用使根部产生裂纹的倾向。 焊接时，根据现场条件，在器壁外侧打底焊后，从内侧清根，焊满内侧后再焊外侧至母材表面平齐。焊接过程中，层间必须用砂轮修磨，以防夹渣。若挖补板条较长，焊接时应由两名焊工对称施焊，以减小焊接变形。 另外，采取窄直焊道不作横向摆动，焊条与工件的夹角*保持在70°左右。同时，应用退火焊道法，以降低焊后残余应力。 5.焊后检验 焊缝无损探伤执行JB4730—94标准。本次再生器裂纹修复共挖补22块板条，焊缝总长84.6m。经检查所有焊缝外观成形和焊缝两侧均熔合良好；焊缝外的引弧伤疤、飞溅物均用砂轮修磨除掉；焊缝表面、根部进行着色检查无裂纹；焊缝进行*超声波探伤，符合JB4730—94标准的要求，Ⅰ级合格。 振动时效消除焊后残余应力 从控制应力腐蚀开裂的要求出发，焊后焊缝必须进行消除应力处理。但由于再生器设备重，体积大，修复处直径为5200mm，壁厚为24mm，焊缝热处理量大，焊后如果进行常规热处理，即采取缠电热带方法消除残余应力，很难在有限工期内完成任务。为此，采用振动时效工艺消除焊后残余应力，这种方法工序安排灵活，操作简单。 结 论 (1)控制组对间隙，选择正确的焊前预热温度，焊接过程中严格按工艺参数及技术规范施工，是再生器裂纹修复获得成功的关键。 作者简介：张勇,助理工程师,生于1972年1996年毕业于沈阳工业*金属材料工程系焊接专业,现从事炼油装置改造和制造方面的焊接方案及工艺的编制工作.地址:(163711)黑龙江省大庆市.电话:(0459)6758897. 作者单位:大庆石油化工总厂机械厂 参考文献 [1] 沈学明.丙烯分馏塔管口改造的焊接及热处理.焊接，1998(5)：19～21 |
