谈加钒钢加氢反应器的焊接控制与采购标准化管理

2022-09-12

一、综述

众所周知, 加氢反应器作为加氢装置核心设备, 长期在高温高压及氢和硫化氢介质下运行, 工况十分苛刻, 在役长期运行及维护过程非常复杂, 确保在役运行安全可靠是是延长设备使用寿命的经济可靠方法。而制造过程中的有效控制是确保在役安全运行的必备条件。

1963年, 日本神户制钢所生产出世界上第一台Cr-Mo钢板加氢反应器, 当时对J系数没有要求。

70年代, 加氢反应器的结构逐渐改进为板焊或锻焊加内壁堆焊不锈钢, 且锻焊结构的比例逐年增加。但这一时期的反应器出现了不少事故, 主要是在役设备材料脆化造成的脆性破坏事故。为避免回火脆性事故发生, 低硅Cr-Mo钢材料应运而生, 并对J系数提出了要求, 最初规定为J≤300, 之后提高到J≤250, 再发展到J≤180, 且 (v Tr54+2.5Δv Tr54) ≤38℃。

80年代, 我国开始制造锻焊结构加氢反应器。从1983年开始, 中国一重开始为抚顺石油三厂研制21/4Cr1Mo锻焊反应器, 并于1989年研制成功。

近年来, 随着燃油质量标准不断升级, 加工原油日趋重质或超重质化。为了提高资源综合利用率, 把重质、劣质原油尽可能多地转化为优质成品油和化工原料, 生产工艺上出现了重质油裂化、煤液化和渣油加氢技术, 操作温度和操作条件更趋苛刻, 生产装置和设备日益大型化, 常规Cr-Mo钢高温强度、抗氢侵蚀能力已经不能满足要求。1983年, 美国石油学会 (API) 和美国材料性能学会 (MPC) 开始研发增强型21/4Cr1Mo和21/4Cr1Mo1/4V钢。增强型21/4Cr1Mo钢, 1984年美国ASME规范案例1980-1予以认可。21/4Cr1Mo1/4V钢, 1991年美国ASME规范案例2098-1予以认可。与此同时, 日本新能源开发组织 (NEDO) 制定了“阳光”计划, 日本制钢所开发出的31/4Cr1Mo1/4VTi B钢美国ASME1984年规范案例1960-1予以认可。神户制钢所开发出的31/4Cr1Mo1/4VCa Nb钢1993年ASME规范案例2151予以认可。 (此时的冶炼技术, 已经由原来的VCD发展到现在的电炉或氧气转炉冶炼、精炼炉精炼、真空脱气工艺, 对材料要求已经提高到J≤100 (目标值80) , (v Tr54+2.5Δv Tr54) ≤0℃。

国内第一台采用21/4Cr1Mo1/4V钢制造的锻焊式加氢反应器由中国一重制造于2002年为中石化镇海炼化公司制造。第一台采用21/4Cr1Mo1/4V钢制造的板焊式加氢反应器由大连金重制造于2003年为中石油抚顺石化公司制造。2007年, 世界上最大的第一、第二煤液化反应器 (单台超过2000吨, 材料21/4Cr1Mo1/4V) 由中国一重为中国神华制造成功。

二、材料特点分析

21/4Cr1Mo1/4V材料是在21/4Cr1Mo材料的基础上加V等合金元素制成, 通过加V来提高材料的抗蠕变能力和抗氢脆的能力。该钢种可使设计温度增加到482℃, 同时可以适应设备大型化需求, 其抗氢、冲击韧性和抗回火脆性都比较好, 21/4Cr1Mo1/4V钢已经成为大型锻焊加氢反应器的首选材料。

21/4Cr1Mo1/4V的设计应力强度为169MPa, 比21/4Cr1Mo的设计应力强度150MPa提高了12.6%。21/4Cr1Mo1/4V由于V元素的加入而形成的碳化钒, 对材料的改性及其焊接性能影响很大。该种加钒钢具备均匀一致的贝氏体组织, 力学性能优良。在高温下V4C3可以高度弥散析出, 增加了钢的高温持久强度和对蠕变的抗力, 提高了钢材的使用温度。但因同时含有Cr、Mo等合金元素, 消除应力处理时, 接头热影响区内的合金碳化物在晶粒内部沉淀, 并使晶内强化。这种强化阻碍了晶粒本身的整体变形和局部应变, 而引发再热裂纹。目前加氢反应器大型化, 设计壁厚增加, 设计碳含量已增加到0.17%, 以便提高材料淬透性和淬硬性。结构上的刚性和高的碳含量及焊接应力水平对于再热裂纹的产生, 是很强的诱发因素。

21/4Cr1Mo1/4V钢因强度级别高、合金含量高, 因此具有很强的焊接冷裂纹敏感性。焊接时必须严格控制预热温度和道间温度。过高的预热温度和道间温度会使得焊接接头的冷却速度降低, 容易导致焊缝组织晶粒粗大, 并出现先共析铁素体, 导致焊接接头的性能下降。因此预热温度和层间温度还要控制上限, 在保证不出现焊接冷裂纹的情况下, 应适当降低预热温度和层间温度。

对21/4Cr1Mo一类加氢反应器的制造, 国际上通用的是美国API的推荐规程API934《高温高压临氢2-1/4Cr和3Cr钢制厚壁压力容器材料和制造要求》。由于21/4Cr1Mo1/4V钢极强的焊接冷裂纹敏感性, API934标准里要求焊后必须立即消氢或消应力热处理。对结构刚性较大的场合, 如接管焊缝和筒节纵焊缝, 应采用消除应力热处理。

中国石化总公司为了完善采购管理工作, 简化采购环节并有效控制设备制造过程, 目前正在对关键的动设备和静设备制定统一的采购技术标准。21/4Cr-1Vo-1/4V锻焊反应器的采购技术标准液在紧锣密鼓制定中, 本文简述其中的焊接控制环节, 同样期望在设备制造过程中对质量控制起到有效控制。

中石化很多企业的加氢反应器采用21/4Cr1Mo1/4V材质制造, 如镇海炼化、扬子石化、安庆石化、金陵石化等的反应器均是该种材质。

有效控制制造过程, 避免给设备在役运行留下隐患, 是中石化制定采购技术标准的目标之一。

三、焊接控制要点

1. 监控PQR的正确制定;

2. 监控WPS的正确编制;

3. 监控制造单位温度控制, 加氢巡查, 并做好记录。

针对该种钢焊后易产生裂纹及热影响区多次受热容易晶粒增大降低韧性的特点, 要求制造单位检验人员和监造人员在制造过程中应每天多次现场巡查焊接工艺的执行情况, 重点检查焊前预热温度及焊后消氢情况, 焊前预热温度不能低于要求, 但也不能过高, 焊后消除应力热处理进炉要及时、点火要及时 (在温度降到200℃之前必须点火, 否则要采取其他措施保证温度不低于200℃) 、升降温要均匀、测量温度应以工件温度为准、要有足够的保温时间, 同时热处理后可以抽查硬度检查热处理效果;为避免焊后产生过大焊接应力造成开裂, 坚决杜绝强力组装, 接管与筒体等焊后及时进炉消应力;对于环焊缝及接管与筒体焊缝基层焊后要现场检查, 确保基层焊缝与两侧母材基本平齐;加强对上下弯头接管的环缝焊接检查, 如焊接位置、坡口尺寸、氩弧焊打底焊背面成型、面层焊后成型等, 根据用户的使用经验, 加强对热电偶凸台与筒体焊接及热偶管与凸台的焊接监造。对于焊接巡检中发现的问题及时向制造厂反馈。

对于耐蚀层堆焊, 尤其是接管内部的堆焊和封头的堆焊, 重点检查待堆面的表面质量, 过渡层堆焊的预热, 过渡层、面层厚度、表面质量、铁素体检验。一重堆焊技术整体比较成熟, 但手工堆焊不稳定, 因此手工堆焊表面成型和铁素体含量检查是重点检查项目之一。为保证优良的耐蚀性能和防止产生热裂纹, 要重点检查手工堆焊焊接电流和焊接速度, 必须采用小规范、小电流、快速焊接, 表层必须焊接两层, 压道搭接要大于等于50%。

21/4Cr1Mo1/4V钢焊缝具有极强的淬硬性。API934标准推荐预热温度为177℃以上。一般焊接经验, 预热温度为200℃以上。为保证焊缝组织的冲击功, 要求焊缝组织的晶粒度足够细小, 也就是要求焊接熔池有一定的冷却速度, 一般而言, 焊接工艺规程规定道间温度的上限为250℃。应严格控制预热温度和道间温度, 绝对不能马虎!

当然, 对于焊工资质等常规内容, 制造过程中一并做好管理工作, 确保焊接过程有效控制。

4. 监控热处理方案

鉴于21/4Cr1Mo1/4V钢的特点, 制造过程中需要多次的消氢、中间热处理及最终热处理。这对材料及焊缝组织的力学性能会造成一定影响。多次不同温度、不同时间长度的热处理的总体效果可以通过Larson-miller参数即回火参数P的计算来评价。

此过程重点检查:

(1) 热电偶数量及位置;

(2) 分段热处理工艺的执行情况 (含产品试板) 及防止热处理时开口筒体变形的措施;

(3) 局部热处理炉的布偶检验及温度梯度的控制。

凸台焊接 (严格控制预热温度、道间温度, 并及时后热。)

四、标准化工作

为进一步推动石油和化工行业质量、标准化工作, 贯彻落实党和国家质量、标准化工作的方针政策, 总结石油和化工行业质量、标准化工作, 明确石油和化工行业质量、标准化发展方向, 中石化组织各有关单位进行了适用于中国石油化工集团公司工业装置各种材料动设备和静设备的标准编制工作, 内容涵盖设计、材料、制造、检验与验收、文件要求、涂漆与运输包装等内容, 根据有关指示, 标准中重点强调了以往制造过程中特别容易出问题的有关事项, 一方面简化采购技术交流流程, 另一方面更是强调过程控制, 保证制造质量, 减少设备在役运行中的隐患。

对于21/4Cr1Mo1/4V钢加氢反应器, 即将出版的采购标准中也重点强调了对焊接的控制, 特别是强调控制预热温度、道间温度、及时消氢或ISR或PWHT。

结束语

加钒钢制造实践和相关标准编制实践, 总结经验如下:

1. PQR及WPS控制。

21/4Cr1Mo1/4V钢有单独的技术条件要求, PQR出了要符合相关标准和技术条件的要求外, 还应涵盖技术条件的要求。

2. 预热、道间温度及后热控制。

21/4Cr1Mo1/4V钢因淬硬性强, 易产生冷裂纹。制造过程中焊接环节, 必须确保预热温度、道间温度得到有效控制。同时, 焊接过程要保持连续性, 焊后立即进行消氢、ISR或PWHT热处理, 防止产生裂纹。

3. 热处理及硬度控制。

21/4Cr1Mo1/4V钢应严格控制好热处理过程, 确保焊接接头的硬度符合技术条件和标准的要求。重点控制热电偶数量及位置、分段热处理工艺的执行情况 (含产品试板) 及防止热处理时开口筒体变形、局部热处理炉的布偶检验及温度梯度的控制。

4. 专门采购技术标准的编制, 有利于制造过程质量控制, 应加紧各相关标准的编制和推广工作。

标准化是组织现代化生产的重要手段和必要条件, 是合理发展产品品种、实现科学管理和现代化管理的基础、是提高产品质量保证安全、卫生的技术保证、是资源合理利用的有效途径、是推广新材料、新技术、新科研成果的桥梁。

中石化组织的采购技术标准, 特别强调了以往出现的重要事故和预防事故的措施, 对加强质量控制, 防患于未然有更好的作用, 对于其它行业采购招标工作也可以起到借鉴作用。

摘要：加氢反应器作为加氢装置核心设备, 长期在高温高压及氢和硫化氢介质下运行, 工况十分苛刻。反应器因为造价高, 确保在役运行安全可靠是是延长设备使用寿命的经济可靠方法。而制造过程中的有效控制是确保在役安全运行的必备条件。本文阐述加氢反应器用21/4Cr-1Vo-1/4V钢材的焊接特点和相关采购标准中焊接控制要点, 期望在设备制造过程中对质量起到有效控制。

关键词：加氢反应器,焊接,标准化